Heterogene integratie wordt een belangrijke richting voor de voortzetting van de halfgeleidertechnologie in het post-Moore-tijdperk en zou de komende 30 jaar wel eens de gangbare technologie voor systeemchips kunnen worden, waarmee geïntegreerde schakelingen het tijdperk van heterogene integratie ingaan. Heterogene integratie heeft echter nog een lange weg te gaan om het traditionele denken over geïntegreerde schakelingen vanuit één centraal punt te doorbreken.

Een belangrijke manier om de wet van Moore te omzeilen.

We leven momenteel in een tijdperk van een bloeiende digitale economie, met toepassingen zoals high-performance computing, cloudcomputing, virtualisatie en big data-analyse die zich razendsnel ontwikkelen. Deze reeks toepassingsscenario's legt een zeer grote belasting op de processor en vereist krachtige rekenkracht.

Pan Xiaoming, wereldwijd senior vicepresident en president van Groot-China bij AMD, zei dat in het gouden tijdperk van halfgeleiderontwerp de kosten per transistor kunnen worden verlaagd door technologische vooruitgang, terwijl de prestaties worden verbeterd. Elke keer dat we een nieuwe node introduceren, duurt het echter langer om de volwassenheid en stabiliteit van het proces te garanderen, en de kosten van het nieuwe proces stijgen aanzienlijk. Dit brengt nieuwe uitdagingen met zich mee, en we moeten meer innovaties op andere gebieden onderzoeken om de processorprestaties en rekenkracht verder te verbeteren. Heterogene integratie wordt een belangrijke ontwikkelingsrichting voor het verbeteren van de rekenkracht van chips.

Wat is heterogene integratie precies? Song Jiqiang, vicepresident van Intel Research en directeur van Intel China Research, legde uit dat heterogene integratie de combinatie is van hardware met verschillende procesarchitecturen, verschillende instructiesets en verschillende functies in één computersysteem. Tegelijkertijd is heterogene integratie ook de samenwerking van chips, behuizingen, systemen en software. Het is geen op zichzelf staand technisch aspect, maar een synthese van meerdere technische aspecten, waarbij de integratie van apparaten, ontwerp, software-algoritmen, enzovoort, betrokken is om een ​​efficiënt heterogeen systeem te realiseren.

De wet van Moore is inmiddels een boegbeeld geworden voor de halfgeleiderindustrie, maar men moet afstappen van de obsessie met het verkleinen van de procestechnologie om de voortdurende evolutie ervan te bevorderen. 

In dit verband wees Mao Junfa, academicus van de Chinese Academie van Wetenschappen, erop dat er momenteel twee belangrijke ontwikkelingsroutes zijn voor halfgeleidertechnologie: het voortzetten van de Wet van Moore en het omzeilen van de Wet van Moore. Wanneer het voortzetten van de Wet van Moore op een reeks extreme uitdagingen stuit, waaronder de grenzen van fysische principes, technische middelen en economische kosten, is het omzeilen van de Wet van Moore een haalbare ontwikkelingsweg. Heterogene geïntegreerde schakelingen zijn een van de belangrijke manieren om de Wet van Moore te omzeilen.

Mao Junfa benadrukte dat het wetenschappelijk belang van het bestuderen van heterogene halfgeleiderintegratie aanzienlijk is. Door middel van geïntegreerde schakelingen kunnen deze zich ontwikkelen van de huidige homogene processen naar de integratie van meerdere heterogene processen, en van de huidige tweedimensionale planaire integratie naar driedimensionale integratie, waardoor complexe systemen met hoge prestaties mogelijk worden. De kenmerken van heterogene integratie zijn uitstekend. Ten eerste kan het verschillende halfgeleidermaterialen, processen, structuren en componenten integreren; ten tweede maakt het gebruik van systeemontwerpconcepten; ten derde maakt het gebruik van geavanceerde technologieën zoals IP en chiplets, met 2.5-dimensionale of 3-dimensionale structuren met een hoge dichtheid. Als gevolg hiervan kunnen heterogene geïntegreerde chips krachtige en complexe functies bereiken, waarmee de prestatielimieten van een enkel halfgeleiderproces worden doorbroken; tegelijkertijd beschikken ze over een grote flexibiliteit, hoge betrouwbaarheid, korte onderzoeks- en ontwikkelingscycli en kunnen ze worden geminiaturiseerd en lichtgewicht gemaakt.

Grote internationale fabrikanten hebben heterogene integratietechnologieën geïntroduceerd.

Vanwege deze voordelen is heterogene integratie de belangrijkste route geworden voor de ontwikkeling van halfgeleidertechnologie in het tijdperk na Moore, en steeds meer grote fabrikanten hechten er veel waarde aan. Op de Computex (Taipei Computer Show) van dit jaar presenteerde AMD een experimenteel product, de Ryzen 5000, die gebruikmaakt van TSMC's geavanceerde 3D Fabric-verpakkingstechnologie om chiplets met een 64 MB L3-cache samen met de processor in een 3D-stapel te verpakken. Volgens AMD kan deze technologie de interconnectdichtheid voor 2D-chips met meer dan 200 keer verhogen en zelfs meer dan 15 keer hoger dan bestaande 3D-verpakkingsoplossingen.

Gebaseerd op de ontwikkeling van heterogene integratietechnologie introduceerde Intel het XPU-concept. Song Jiqiang zei: "Bij Intel bevorderen we de innovatie van heterogene computing door de heterogene integratie van XPU's met verschillende architecturen en het uniforme, architectuuroverschrijdende programmeermodel oneAPI. Dit maakt samenwerking tussen software en hardware mogelijk, waardoor we meer workloads aankunnen, een hoge energie-efficiëntie bereiken, klanten helpen kosten te besparen en snel oplossingen bieden die aansluiten op hun behoeften."

Tijdens de "Architecture Day" van vorig jaar introduceerde Intel de Hybrid Bonding-technologie, gebaseerd op EMIB (Embedded Multi-chip Interconnect Bridge) 2D-verpakking, Foveros 3D-verpakking en CO-EMIB-technologie die 2D en 3D combineert. Deze technologie maakt een hogere stroomgeleidingscapaciteit via elektrische verbindingen mogelijk, versnelt de realisatie van bump-pitches van 10 micron en kleiner, en zorgt voor een hogere interconnectdichtheid, bandbreedte en een lager energieverbruik in heterogene media.

Niet alleen Intel en AMD, maar ook toonaangevende internationale chipfabrikanten zoals NVIDIA, Qualcomm, Xilinx, enz. hechten veel belang aan heterogene integratietechnologie. Ook in China zijn bedrijven als Unisoc, Beijing Ingenics en Vimicro actief bezig met onderzoek en ontwikkeling op het gebied van heterogene integratie en brengen ze gerelateerde producten en oplossingen op de markt. De onlangs gelanceerde Tanggula T770 van UNISOC integreert onder andere een 4-core ARM A76, een 4-core ARM A55, een Mali-G57 GPU en basebandchips. Dit is een typisch voorbeeld van een toepassing van heterogene integratie.

We moeten afstappen van het traditionele denken over "wegen".

Hoewel de ontwikkelingsvooruitzichten van heterogene integratie zeer breed zijn, is de realisatie ervan niet eenvoudig. Mao Junfa benadrukte dat, aangezien media met verschillende eigenschappen en functies nauw met elkaar verbonden zijn en vaak met elkaar conflicteren, het bij het ontwerpen van heterogene circuits noodzakelijk is om problemen op te lossen zoals elektromagnetische en thermische spanning, multi-fysisch samenwerkingsontwerp en multifunctioneel samenwerkingsontwerp voor actieve/passieve circuitantennes en digitale/analoge circuits. Wat betreft de procesproductie, wordt de aanpassing van de procesparameters voor heterogene integratie eveneens beïnvloed door de multi-fysische eigenschappen van elektriciteit, warmte en spanning. Het is noodzakelijk om hun interne relaties te begrijpen en de kwantitatieve ontwerp- en optimalisatiemechanismen van het proces te beheersen.

Song Jiqiang is er ook van overtuigd dat heterogene integratie moet afwijken van één enkele architectuur op hardwaregebied, en dat de XPU-architectuur, die meerdere architecturen integreert, de norm zal worden. De komst van de XPU-architectuur stelt hogere eisen aan software, omdat ontwikkelaars die meerdere programmeertalen voor verschillende architecturen tegelijk beheersen zeldzaam zijn, en software een cruciale rol speelt bij het benutten van de hardwareprestaties. Softwaremodellen die architectuuroverstijgend kunnen programmeren en tools die de programmeerefficiëntie verbeteren, zijn daarom van groot belang.

Intel heeft zes technische pijlers voorgesteld die een sleutelrol speelden bij de implementatie van XPU: proces, architectuur, geheugen, interconnectie, beveiliging en software. Hoewel heterogene computing een hardware-gerelateerd concept lijkt, vereist het de integratie van chips, systemen en software om de mogelijkheden ervan volledig te benutten. De eerste is de chiplaag, die verwijst naar de heterogeniteit binnen de chipbehuizing en nauw verband houdt met het concept van "kleine chips"; de tweede is de systeemlaag, die verwijst naar de integratie van multifunctionele en multi-architecturen; de derde is de softwarelaag, het uniforme, architectuuroverschrijdende programmeermodel oneAPI, dat ontwikkelaars het gemak biedt om op verschillende architecturen te programmeren via een set software-interfaces en een set functiebibliotheken.

In het licht van de ontwikkeling van heterogene integratie heeft Mao Junfa een overkoepelend onderzoeksidee voorgesteld, namelijk het doorbreken van de traditionele "weg"-denkwijze van geïntegreerde schakelingen. Gebaseerd op de gekoppelde multi-fysische theorie, en geleid door de ontwikkeling van heterogene integratiemogelijkheden, combineert hij vakgebieden en wegen om de technische richting van heterogene halfgeleider-geïntegreerde schakelingen te bepalen.

Disclaimer: Dit artikel is overgenomen van de "China Semiconductor Industry Association". Dit artikel geeft uitsluitend de persoonlijke mening van de auteur weer en vertegenwoordigt niet de standpunten van Sacco Micro en de industrie. Het is alleen bedoeld voor herpublicatie en verspreiding ter ondersteuning van de bescherming van intellectuele eigendomsrechten. Vermeld bij herpublicatie de oorspronkelijke bron en auteur. Neem bij inbreuk op het auteursrecht contact met ons op zodat we het artikel kunnen verwijderen.

Telefoonnummer van het bedrijf: +86-0755-83044319
Fax: +86-0755-83975897
E-mail: 1615456225@qq.com
Vraag: 3518641314 Manager Li

Vraag: 332496225 Manager Qiu

Adres: Kamer 809, Gebouw C, Zhantao Technologiegebouw, Minzhilaan 1079, Longhua Nieuw District, Shenzhen