A integração heterogênea está se tornando uma direção importante para a continuidade da tecnologia de semicondutores na era pós-Moore, podendo se tornar a tecnologia dominante para chips de nível de sistema nos próximos 30 anos, impulsionando os circuitos integrados para a era da integração heterogênea. No entanto, a integração heterogênea ainda tem um longo caminho a percorrer para romper com o pensamento tradicional sobre circuitos integrados.

Uma maneira importante de contornar a Lei de Moore

Atualmente, vivemos uma era de economia digital em plena expansão, com aplicações como computação de alto desempenho, computação em nuvem, virtualização e análise de big data se desenvolvendo rapidamente. Essa série de cenários de aplicação também impõe uma carga de trabalho muito grande ao processador e exige o suporte de um poder computacional excepcional.

Pan Xiaoming, vice-presidente sênior global da AMD e presidente da Grande China, afirmou que, na era de ouro do design de semicondutores, é possível reduzir o custo de cada transistor por meio de avanços tecnológicos, ao mesmo tempo que se melhora o desempenho. No entanto, a cada nova geração de semicondutores, o processo de amadurecimento e estabilidade se torna mais complexo, e o custo do novo processo aumenta significativamente. Isso traz novos desafios, e precisamos explorar mais inovações em outras áreas para aprimorar ainda mais o desempenho e o poder de computação dos processadores. A integração heterogênea está se tornando uma importante direção de desenvolvimento para o aumento da capacidade de processamento dos chips.

Então, o que é integração heterogênea? Song Jiqiang, vice-presidente de Pesquisa da Intel e diretor de Pesquisa da Intel China, explicou que a integração heterogênea é a combinação de hardware com diferentes arquiteturas de processo, conjuntos de instruções e funções em um único sistema computacional. Ao mesmo tempo, a integração heterogênea também envolve a colaboração entre chips, encapsulamentos, sistemas e software. Não se trata de um único aspecto técnico, mas sim de uma síntese de múltiplos aspectos técnicos, envolvendo a integração de dispositivos, design, algoritmos de software, etc., para alcançar um sistema heterogêneo eficiente.

A Lei de Moore tornou-se, na verdade, um símbolo da indústria de semicondutores, mas as pessoas precisam abandonar a obsessão com a miniaturização dos nós de processo para promover a evolução contínua da tecnologia de semicondutores. 

A este respeito, Mao Junfa, acadêmico da Academia Chinesa de Ciências, apontou que existem atualmente duas principais vias de desenvolvimento para a tecnologia de semicondutores: a continuação da Lei de Moore e o desvio da Lei de Moore. Quando a continuação da Lei de Moore enfrenta uma série de desafios extremos, incluindo as limitações dos princípios físicos, dos meios técnicos e dos custos econômicos, o desvio da Lei de Moore surge como uma via viável de desenvolvimento. Os circuitos integrados heterogêneos são uma das maneiras importantes de contornar a Lei de Moore.

Mao Junfa enfatizou que a importância científica do estudo da integração heterogênea de semicondutores também é significativa. Através de circuitos integrados, é possível evoluir do atual processo homogêneo único para a integração de múltiplos processos heterogêneos, e da atual integração planar bidimensional para a integração tridimensional, possibilitando assim sistemas complexos de alto desempenho. As características da integração heterogênea são notáveis. Primeiro, ela permite a integração de diferentes materiais semicondutores, processos, estruturas e componentes; segundo, adota conceitos de projeto de sistemas; terceiro, aplica tecnologias avançadas como IP (Propriedade Intelectual) e chiplets, com estruturas de alta densidade em 2.5 ou 3 dimensões. Como resultado, os chips integrados heterogeneamente podem alcançar funções poderosas e complexas, superando os limites de desempenho de um único processo semicondutor; ao mesmo tempo, apresentam grande flexibilidade, alta confiabilidade, ciclos curtos de pesquisa e desenvolvimento, além de possibilitarem miniaturização e leveza.

Os principais fabricantes internacionais lançaram tecnologias de integração heterogênea.

Devido a essas vantagens, a integração heterogênea tornou-se a principal via para o desenvolvimento da tecnologia de semicondutores na era pós-Moore, e um número crescente de fabricantes de grande porte tem atribuído grande importância a ela. Na Computex (Taipei Computer Show) deste ano, a AMD lançou um produto experimental, o Ryzen 5000, que utiliza a tecnologia avançada de encapsulamento 3D Fabric da TSMC para encapsular com sucesso chiplets contendo um cache L3 de 64 MB junto com o processador em uma pilha 3D. De acordo com a AMD, essa tecnologia pode aumentar a densidade de interconexões em mais de 200 vezes para chips 2D e em mais de 15 vezes em comparação com as soluções de encapsulamento 3D existentes.

Com base no desenvolvimento da tecnologia de integração heterogênea, a Intel propôs o conceito de XPU. Song Jiqiang afirmou: "Para a Intel, promover a inovação da computação heterogênea por meio da integração heterogênea de XPUs de diferentes arquiteturas e do modelo de programação unificado entre arquiteturas, o oneAPI, permite a colaboração entre software e hardware para atender a mais cargas de trabalho, alcançar alta eficiência energética, ajudar os clientes a reduzir custos e fornecer soluções rapidamente de acordo com suas necessidades."

No "Architecture Day" do ano passado, a Intel lançou a tecnologia Hybrid Bonding, baseada nas embalagens 2D EMIB (Embedded Multi-chip Interconnect Bridge), 3D Foveros e na tecnologia CO-EMIB, que combina 2D e 3D. Isso permite obter maior capacidade de condução de corrente por meio de conexões elétricas, acelerando a implementação de espaçamentos entre os bumps de 10 mícrons ou menos, o que resulta em maior densidade de interconexões, largura de banda e menor consumo de energia em mídias heterogêneas.

Não apenas a Intel e a AMD, mas também os principais fabricantes internacionais de chips, incluindo NVIDIA, Qualcomm, Xilinx, etc., atribuem grande importância à tecnologia de integração heterogênea. No mercado interno, empresas como Unisoc, Beijing Ingenics e Vimicro também estão conduzindo ativamente pesquisas e desenvolvimento em integração heterogênea e lançando produtos e soluções relacionados. O recém-lançado Tanggula T770 da UNISOC integra um processador ARM A76 de quatro núcleos, um processador ARM A55 de quatro núcleos, uma GPU Mali-G57 e chips de banda base, entre outros. É uma aplicação típica de integração heterogênea.

Precisamos romper com a mentalidade tradicional de "estrada".

Embora as perspectivas de desenvolvimento da integração heterogênea sejam muito amplas, concretizá-la não é tarefa fácil. Mao Junfa enfatizou que, como os meios com diferentes propriedades e funções estão intimamente acoplados e frequentemente entram em conflito entre si, ao projetar circuitos heterogêneos, é necessário solucionar problemas de projeto colaborativo eletromagnético-térmico-de estresse, multifísico e multifuncional de antenas de circuitos ativos/passivos e circuitos digitais/analógicos. Em termos de processo de fabricação, o ajuste dos parâmetros do processo de integração heterogênea também será afetado pelas propriedades multifísicas de eletricidade, calor e estresse. É necessário compreender suas relações internas e dominar os mecanismos de projeto quantitativo e otimização do processo.

Song Jiqiang também acredita que a integração heterogênea precisa romper com uma arquitetura única em termos de hardware, e a arquitetura XPU, que integra múltiplas arquiteturas, se tornará dominante. O surgimento da arquitetura XPU impôs maiores exigências ao software, pois desenvolvedores que dominam linguagens de programação para múltiplas arquiteturas simultaneamente são raros, e o software é fundamental para liberar o desempenho do hardware. Modelos de software que permitem programar entre arquiteturas e ferramentas que aprimoram a eficiência da programação são extremamente importantes.

A Intel propôs seis pilares técnicos que desempenharam um papel fundamental na implementação da XPU, incluindo processo, arquitetura, memória, interconexão, segurança e software. Embora a computação heterogênea pareça ser um conteúdo de nível de hardware, para liberar suas capacidades é necessária a integração de chips, sistemas e software antes que ela possa desempenhar um papel. O primeiro pilar é a camada de chip, que se refere à heterogeneidade dentro do encapsulamento do chip e está intimamente relacionada ao conceito de "chips pequenos"; o segundo é a camada de sistema, que se refere à integração de arquiteturas de computação multifuncionais e multiarquitetura; o terceiro é a camada de software, o modelo de programação unificado entre arquiteturas, o oneAPI, que pode fornecer aos desenvolvedores a conveniência de programar em diferentes arquiteturas por meio de um conjunto de interfaces de software e um conjunto de bibliotecas de funções.

Diante do desenvolvimento da integração heterogênea, Mao Junfa propôs uma ideia de pesquisa abrangente, que consiste em romper com o pensamento tradicional de "caminhos" dos circuitos integrados, com base na teoria multifísica acoplada, guiada pela formação de capacidades de integração heterogênea, combinando campos e caminhos para direcionar a tecnologia de circuitos integrados heterogêneos de semicondutores.

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