Integracja heterogeniczna staje się ważnym kierunkiem rozwoju technologii półprzewodnikowej w erze post-Moore'a i może stać się główną technologią układów scalonych na poziomie systemowym w ciągu najbliższych 30 lat, wprowadzając układy scalone w erę integracji heterogenicznej. Jednak integracja heterogeniczna ma jeszcze długą drogę do przełamania tradycyjnego, „szosowego” myślenia o układach scalonych.

Ważny sposób na obejście prawa Moore’a

Żyjemy obecnie w erze rozkwitu gospodarki cyfrowej, w której aplikacje takie jak obliczenia o wysokiej wydajności, przetwarzanie w chmurze i wirtualizacja oraz analiza dużych zbiorów danych rozwijają się dynamicznie. Ten szereg scenariuszy zastosowań będzie również wiązał się z bardzo dużym obciążeniem procesora i wymagał wsparcia potężnej mocy obliczeniowej.

Pan Xiaoming, globalny starszy wiceprezes i prezes AMD w Chinach, powiedział, że w złotej erze projektowania półprzewodników, dzięki postępowi technologicznemu, można obniżyć koszt każdego tranzystora, jednocześnie zwiększając wydajność. Jednak za każdym razem, gdy wchodzimy do nowego węzła, zapewnienie dojrzałości i stabilności procesu zajmuje więcej czasu, a koszt nowego procesu znacznie rośnie. To stawia przed nami nowe wyzwania i musimy poszukiwać innowacji w innych aspektach, aby jeszcze bardziej zwiększyć wydajność procesorów i moc obliczeniową. Integracja heterogeniczna staje się ważnym kierunkiem rozwoju w zakresie zwiększania mocy obliczeniowej układów scalonych.

Czym zatem jest integracja heterogeniczna? Song Jiqiang, wiceprezes Intel Research i dyrektor Intel China Research, wskazał, że integracja heterogeniczna to połączenie sprzętu o różnych architekturach procesów, zestawach instrukcji i funkcjach w jeden system obliczeniowy. Jednocześnie integracja heterogeniczna to również współpraca układów scalonych, pakietów, systemów i oprogramowania. Nie jest to pojedynczy aspekt techniczny, lecz synteza wielu aspektów technicznych, obejmująca integrację urządzeń, projektu, algorytmów programowych itp. w celu stworzenia wydajnego systemu heterogenicznego.

Prawo Moore’a stało się w istocie sztandarowym rozwiązaniem dla przemysłu półprzewodnikowego, ale ludzie muszą pozbyć się obsesji na punkcie zmniejszania się węzłów procesowych, aby promować ciągły rozwój technologii półprzewodnikowej. 

W tym kontekście Mao Junfa, członek Chińskiej Akademii Nauk, wskazał, że obecnie istnieją dwie główne ścieżki rozwoju technologii półprzewodnikowej: kontynuacja prawa Moore'a i obejście prawa Moore'a. W sytuacji, gdy kontynuacja prawa Moore'a wiąże się z szeregiem ekstremalnych wyzwań, w tym ograniczeniami zasad fizycznych, środków technicznych i kosztów ekonomicznych, odejście od prawa Moore'a jest realną drogą rozwoju. Heterogeniczne układy scalone są jednym z ważnych sposobów na obejście prawa Moore'a.

Mao Junfa podkreślił, że badania heterogenicznej integracji półprzewodników mają również istotne znaczenie naukowe. Dzięki układom scalonym, układy scalone mogą rozwijać się od obecnego pojedynczego procesu jednorodnego do integracji wielu procesów heterogenicznych, a także od obecnej dwuwymiarowej integracji planarnej do integracji trójwymiarowej, tworząc w ten sposób wysokowydajne, złożone systemy. Cechy integracji heterogenicznej są wyjątkowe. Po pierwsze, umożliwia ona integrację różnych materiałów półprzewodnikowych, procesów, struktur i komponentów; po drugie, przyjmuje koncepcje projektowania systemów; po trzecie, wykorzystuje zaawansowane technologie, takie jak IP i chiplety, z 2.5-wymiarowymi lub 3-wymiarowymi strukturami o wysokiej gęstości. W rezultacie heterogeniczne układy scalone mogą realizować zaawansowane i złożone funkcje, przekraczając granice wydajności pojedynczego procesu półprzewodnikowego; jednocześnie charakteryzują się dużą elastycznością, wysoką niezawodnością, krótkimi cyklami badawczo-rozwojowymi oraz mogą osiągnąć miniaturyzację i lekkość.

Duzi międzynarodowi producenci wprowadzili na rynek heterogeniczne technologie integracyjne

Ze względu na te zalety, heterogeniczna integracja stała się główną drogą rozwoju technologii półprzewodnikowej w erze post-Moore'a, a coraz więcej popularnych producentów przywiązuje do niej dużą wagę. Podczas tegorocznych targów Computex (Taipei Computer Show) firma AMD zaprezentowała eksperymentalny produkt Ryzen 5000, który wykorzystuje zaawansowaną technologię pakowania 3D Fabric firmy TSMC, umożliwiającą skuteczne pakowanie chipletów zawierających 64 MB pamięci podręcznej L3 z procesorem w stos 3D. Według AMD, technologia ta może zwiększyć gęstość połączeń między układami 2D ponad 200-krotnie, a także ponad 15-krotnie w porównaniu z istniejącymi rozwiązaniami pakowania 3D.

Bazując na rozwoju technologii integracji heterogenicznej, Intel zaproponował koncepcję XPU. Song Jiqiang powiedział: „W firmie Intel promujemy innowację w dziedzinie obliczeń heterogenicznych poprzez heterogeniczną integrację jednostek XPU o różnych architekturach i zunifikowany międzyarchitekturowy model programowania OneAPI, aby zapewnić współpracę oprogramowania i sprzętu, co pozwala sprostać większym obciążeniom, osiągnąć wysoką efektywność energetyczną, pomóc klientom obniżyć koszty i szybko dostarczać rozwiązania dostosowane do potrzeb”.

Podczas zeszłorocznego „Dnia Architektury” firma Intel zaprezentowała technologię Hybrid Bonding opartą na dwuwymiarowej obudowie EMIB (Embedded Multi-chip Interconnect Bridge), trójwymiarowej obudowie Foveros oraz technologii CO-EMIB, która łączy w sobie rozwiązania dwuwymiarowe i trójwymiarowe. Uzyskano w ten sposób wyższą obciążalność prądową połączeń elektrycznych, przyspieszając realizację skoków wypukłości rzędu 10 mikronów i mniejszych, co przekłada się na większą gęstość połączeń, przepustowość i niższe zużycie energii w mediach heterogenicznych.

Nie tylko Intel i AMD, ale także czołowi międzynarodowi producenci chipów, tacy jak NVIDIA, Qualcomm, Xilinx itp., przywiązują dużą wagę do technologii integracji heterogenicznej. Na rynku krajowym firmy takie jak Unisoc, Beijing Ingenics i Vimicro również aktywnie prowadzą badania i rozwój w zakresie integracji heterogenicznej oraz wprowadzają na rynek powiązane produkty i rozwiązania. Nowo wprowadzony na rynek układ Tanggula T770 firmy UNISOC integruje 4-rdzeniowy procesor ARM A76, 4-rdzeniowy procesor ARM A55, procesor graficzny Mali-G57 oraz układy pasma podstawowego itp. Jest to typowy przykład integracji heterogenicznej.

Trzeba przełamać tradycyjne myślenie „drogowe”

Chociaż perspektywy rozwoju integracji heterogenicznej są bardzo szerokie, jej realizacja nie jest łatwa. Mao Junfa podkreślał, że ponieważ media o różnych właściwościach i funkcjach są ściśle sprzężone i często ze sobą kolidują, podczas projektowania obwodów heterogenicznych konieczne jest rozwiązanie problemów związanych z naprężeniami elektromagnetycznymi, wielofizycznymi projektami kolaboracyjnymi oraz wielofunkcyjnymi projektami kolaboracyjnymi anten obwodów aktywnych/pasywnych oraz układów cyfrowo-analogowych. W procesie produkcyjnym, na dostosowanie parametrów procesu integracji heterogenicznej będą miały wpływ również wielofizyczne właściwości elektryczności, ciepła i naprężeń. Konieczne jest zrozumienie ich wewnętrznych zależności oraz opanowanie mechanizmów ilościowego projektowania i optymalizacji procesów.

Song Jiqiang uważa również, że heterogeniczna integracja musi odejść od pojedynczej architektury pod względem sprzętowym, a architektura XPU, integrująca wiele architektur, stanie się powszechna. Narodziny architektury XPU podniosły wymagania dotyczące oprogramowania, ponieważ programiści potrafiący posługiwać się wieloma językami programowania jednocześnie należą do rzadkości, a oprogramowanie jest kluczowym elementem zwiększania wydajności sprzętu. Modele oprogramowania umożliwiające programowanie w różnych architekturach oraz narzędzia poprawiające wydajność programowania są niezwykle ważne.

Intel has proposed six technical pillars, which played a key role in the implementation of XPU, including process, architecture, memory, interconnection, security and software. Although heterogeneous computing seems to be a hardware-level content, to unleash its capabilities requires the integration of chips, systems, and software before it can play a role. The first is the chip layer, which refers to the heterogeneity within the chip package and is closely related to the concept of "small chips"; the second is the system layer, which refers to the integration of multi-functional and multi-architecture computing architectures; the third is the software layer, the unified cross-architecture programming model oneAPI, which can provide developers with the convenience of programming on different architectures through a set of software interfaces and a set of function libraries.

W obliczu rozwoju integracji heterogenicznej Mao Junfa zaproponował ogólną ideę badawczą, która ma przełamać tradycyjne „drogowe” myślenie o układach scalonych, oparte na sprzężonej teorii multifizycznej, kierując się kształtowaniem możliwości integracji heterogenicznej, łącząc dziedziny i drogi, aby wyznaczyć kierunek techniczny w zakresie półprzewodnikowych heterogenicznych układów scalonych.

Zastrzeżenie: Niniejszy artykuł pochodzi ze strony „China Semiconductor Industry Association”. Artykuł ten przedstawia wyłącznie osobiste poglądy autora i nie reprezentuje poglądów Sacco Micro ani branży. Jest on przeznaczony wyłącznie do przedruku i udostępniania w celu ochrony praw własności intelektualnej. Prosimy o podanie oryginalnego źródła i autora przedruku. W przypadku naruszenia prosimy o kontakt w celu usunięcia artykułu.

Numer telefonu firmy: +86-0755-83044319
Faks/FAKS: +86-0755-83975897
E-mail: 1615456225@qq.com
QQ: 3518641314 Menedżer Li

QQ: 332496225 Menedżer Qiu

Adres: Pokój 809, Budynek C, Budynek Technologii Zhantao, nr 1079 Minzhi Avenue, Nowa Dzielnica Longhua, Shenzhen