Гетерогенная интеграция становится важным направлением развития полупроводниковых технологий в постмуровскую эпоху и может стать основной технологией для системных микросхем в ближайшие 30 лет, выводя интегральные схемы в эру гетерогенной интеграции. Однако гетерогенной интеграции еще предстоит пройти долгий путь, чтобы преодолеть традиционное «путешествие» в мир интегральных схем.

Важный способ обойти закон Мура.

В настоящее время мы живем в эпоху бурного развития цифровой экономики, когда такие приложения, как высокопроизводительные вычисления, облачные вычисления и виртуализация, а также анализ больших данных, развиваются стремительно. Этот ряд сценариев применения также создаст очень большую нагрузку на процессор и потребует поддержки мощных вычислительных мощностей.

Пан Сяомин, старший вице-президент AMD и президент подразделения в Большом Китае, заявил, что в золотой век проектирования полупроводников можно снизить стоимость каждого транзистора за счет технологических достижений, одновременно повышая производительность. Однако с каждым переходом на новый техпроцесс требуется больше времени для обеспечения его зрелости и стабильности, а стоимость нового техпроцесса значительно возрастает. Это создает новые проблемы, и нам необходимо исследовать больше инноваций в других областях для дальнейшего повышения производительности процессоров и вычислительной мощности. Гетерогенная интеграция становится важным направлением развития для повышения вычислительной мощности чипов.

Итак, что же такое гетерогенная интеграция? Сун Цзицян, вице-президент Intel Research и директор Intel China Research, отметил, что гетерогенная интеграция — это объединение аппаратного обеспечения с различными технологическими архитектурами, различными наборами инструкций и различными функциями в единую вычислительную систему. В то же время, гетерогенная интеграция — это также взаимодействие микросхем, корпусов, систем и программного обеспечения. Это не отдельная техническая точка, а синтез множества технических точек, включающий интеграцию устройств, проектирования, программных алгоритмов и т. д., для достижения эффективной гетерогенной системы.

Закон Мура фактически стал флагманом полупроводниковой промышленности, но людям необходимо избавиться от своей одержимости уменьшением технологических параметров, чтобы способствовать дальнейшему развитию полупроводниковых технологий. 

В этой связи Мао Цзюньфа, академик Китайской академии наук, отметил, что в настоящее время существуют два основных пути развития полупроводниковых технологий: продолжение действия закона Мура и отклонение от него. Когда продолжение действия закона Мура сталкивается с рядом экстремальных проблем, включая ограничения физических принципов, технических средств и экономических затрат, отклонение от закона Мура является осуществимым путем развития. Гетерогенные интегральные схемы — один из важных способов обойти закон Мура.

Мао Цзюньфа подчеркнул, что научное значение изучения гетерогенной интеграции полупроводников также велико. Благодаря интегральным схемам, интегральные схемы могут развиваться от существующего однородного процесса к интеграции множества гетерогенных процессов, а от существующей двухмерной планарной интеграции к трехмерной интеграции, тем самым реализуя высокопроизводительные сложные системы. Характеристики гетерогенной интеграции выдающиеся. Во-первых, она позволяет интегрировать различные полупроводниковые материалы, процессы, структуры и компоненты; во-вторых, она использует концепции системного проектирования; в-третьих, она применяет передовые технологии, такие как IP и чиплеты, с 2.5-мерными или 3-мерными высокоплотными структурами. В результате гетерогенные интегральные микросхемы могут достигать мощных и сложных функций, преодолевая ограничения производительности одного полупроводникового процесса; в то же время они обладают высокой гибкостью, надежностью, короткими циклами исследований и разработок, а также позволяют достичь миниатюризации и снижения веса.

Крупнейшие международные производители внедрили технологии гетерогенной интеграции.

Благодаря этим преимуществам гетерогенная интеграция стала основным направлением развития полупроводниковых технологий в эпоху после закона Мура, и все больше производителей массового сегмента придают ей большое значение. На выставке Computex (Taipei Computer Show) в этом году компания AMD представила экспериментальный продукт Ryzen 5000, в котором используется передовая технология упаковки 3D Fabric от TSMC для успешной упаковки чиплетов, содержащих 64 МБ кэша L3, вместе с процессором в 3D-стеке. По данным AMD, эта технология позволяет увеличить плотность межсоединений более чем в 200 раз для 2D-чипов, а также более чем в 15 раз по сравнению с существующими решениями для 3D-упаковки.

Основываясь на развитии технологии гетерогенной интеграции, Intel предложила концепцию XPU. Сун Цзицян сказал: «Для Intel мы продвигаем инновации в области гетерогенных вычислений посредством гетерогенной интеграции XPU с различными архитектурами и унифицированной кросс-архитектурной модели программирования oneAPI, чтобы обеспечить взаимодействие программного и аппаратного обеспечения для обработки большего количества рабочих нагрузок, достижения высокой энергоэффективности, помочь клиентам снизить затраты и быстро предоставлять решения в соответствии с потребностями».

На прошлогоднем мероприятии "Architecture Day" компания Intel представила технологию Hybrid Bonding, основанную на 2D-упаковке EMIB (Embedded Multi-chip Interconnect Bridge), 3D-упаковке Foveros и технологии CO-EMIB, сочетающей 2D и 3D-технологии. Это позволяет добиться большей пропускной способности по току через электрические соединения, ускорить реализацию шага контактных площадок в 10 микрон и менее, а также повысить плотность межсоединений, пропускную способность и снизить энергопотребление в гетерогенных средах.

Не только Intel и AMD, но и ведущие международные производители микросхем, включая NVIDIA, Qualcomm, Xilinx и др., придают большое значение технологии гетерогенной интеграции. В стране такие компании, как Unisoc, Beijing Ingenics и Vimicro, также активно проводят исследования и разработки в области гетерогенной интеграции и выпускают соответствующие продукты и решения. Недавно выпущенный процессор Tanggula T770 от UNISOC, объединяющий 4-ядерный ARM A76, 4-ядерный ARM A55, графический процессор Mali-G57 и чипы базовой полосы, является типичным примером применения гетерогенной интеграции.

Необходимо отказаться от традиционного «дорожного» мышления.

Несмотря на широкие перспективы развития гетерогенной интеграции, её реализация непроста. Мао Цзюньфа подчеркнул, что, поскольку среды с различными свойствами и функциями тесно связаны и часто конфликтуют друг с другом, при проектировании гетерогенных схем необходимо решать вопросы электромагнитно-теплового воздействия, многофизического взаимодействия и многофункционального взаимодействия активных/пассивных антенн и цифровых/аналоговых схем. С точки зрения технологического процесса, на настройку параметров гетерогенной интеграции также будут влиять многофизические свойства электричества, тепла и напряжений. Необходимо понимать их внутренние взаимосвязи и осваивать механизмы количественного проектирования и оптимизации процесса.

Сун Цзицян также считает, что гетерогенная интеграция должна отойти от единой архитектуры в аппаратном плане, и архитектура XPU, объединяющая несколько архитектур, станет мейнстримом. Появление архитектуры XPU предъявило более высокие требования к программному обеспечению, поскольку разработчики, способные одновременно владеть языками программирования для нескольких архитектур, встречаются редко, а программное обеспечение является ключевой частью повышения производительности аппаратного обеспечения. Чрезвычайно важны программные модели, позволяющие программировать на разных архитектурах, и инструменты, повышающие эффективность программирования.

Компания Intel предложила шесть технических столпов, сыгравших ключевую роль в реализации XPU, включая техпроцесс, архитектуру, память, межсоединения, безопасность и программное обеспечение. Хотя гетерогенные вычисления, по-видимому, являются частью аппаратного уровня, для раскрытия их возможностей требуется интеграция чипов, систем и программного обеспечения. Первый — это уровень чипа, который подразумевает гетерогенность внутри корпуса чипа и тесно связан с концепцией «малых чипов»; второй — это системный уровень, который подразумевает интеграцию многофункциональных и многоархитектурных вычислительных архитектур; третий — это программный уровень, унифицированная кросс-архитектурная модель программирования oneAPI, которая предоставляет разработчикам удобство программирования на различных архитектурах с помощью набора программных интерфейсов и набора функциональных библиотек.

В условиях развития гетерогенной интеграции Мао Цзюньфа предложил целостную исследовательскую идею, заключающуюся в преодолении традиционного «дорожного» мышления в отношении интегральных схем, основанного на теории связанных мультифизических процессов, с учетом формирования возможностей гетерогенной интеграции, объединяя области и пути для определения технического направления развития полупроводниковых гетерогенных интегральных схем.

Отказ от ответственности: Данная статья воспроизведена из материалов «Китайской ассоциации полупроводниковой промышленности». Статья отражает только личное мнение автора и не представляет точку зрения компании Sacco Micro и отрасли в целом. Перепечатка и распространение предназначены исключительно для защиты прав интеллектуальной собственности. При перепечатке, пожалуйста, указывайте первоисточник и автора. В случае нарушения авторских прав, пожалуйста, свяжитесь с нами для удаления публикации.

Номер телефона компании: +86-0755-83044319
Факс: +86-0755-83975897
Почта: 1615456225@qq.com
QQ: 3518641314 Менеджер Ли

QQ: 332496225 Менеджер Цю

Адрес: Комната 809, корпус C, технологический корпус Чжаньтао, проспект Миньчжи, 1079, новый район Лунхуа, Шэньчжэнь.