Tích hợp dị thể đang trở thành một hướng đi quan trọng cho sự phát triển tiếp theo của công nghệ bán dẫn trong kỷ nguyên hậu Moore, và có thể trở thành công nghệ chủ đạo cho các chip cấp hệ thống trong 30 năm tới, đưa các mạch tích hợp bước vào kỷ nguyên tích hợp dị thể. Tuy nhiên, tích hợp dị thể vẫn còn một chặng đường dài để phá vỡ lối tư duy "con đường" truyền thống về mạch tích hợp.

Một cách quan trọng để vượt qua Định luật Moore

Chúng ta hiện đang sống trong kỷ nguyên bùng nổ của nền kinh tế số, với các ứng dụng như điện toán hiệu năng cao, điện toán đám mây và ảo hóa, cũng như phân tích dữ liệu lớn đang phát triển nhanh chóng. Hàng loạt các kịch bản ứng dụng này cũng sẽ tạo ra khối lượng công việc rất lớn cho bộ xử lý và đòi hỏi sự hỗ trợ của sức mạnh tính toán mạnh mẽ.

Ông Pan Xiaoming, phó chủ tịch cấp cao toàn cầu kiêm chủ tịch khu vực Đại Trung Hoa của AMD, cho biết trong thời kỳ hoàng kim của thiết kế bán dẫn, người ta có thể giảm chi phí mỗi bóng bán dẫn thông qua những tiến bộ công nghệ trong khi vẫn nâng cao hiệu năng. Tuy nhiên, mỗi khi bước sang một công nghệ sản xuất mới, việc đảm bảo độ chín muồi và ổn định của quy trình lại mất nhiều thời gian hơn, và chi phí của quy trình mới cũng tăng lên đáng kể. Điều này mang đến những thách thức mới, và chúng ta cần phải tìm kiếm thêm những đổi mới ở các khía cạnh khác để tiếp tục nâng cao hiệu năng và sức mạnh tính toán của bộ xử lý. Tích hợp dị cấu trúc đang trở thành một hướng phát triển quan trọng để nâng cao sức mạnh tính toán của chip.

Vậy, tích hợp không đồng nhất là gì? Song Jiqiang, phó chủ tịch nghiên cứu của Intel và giám đốc nghiên cứu của Intel Trung Quốc, chỉ ra rằng tích hợp không đồng nhất là sự kết hợp phần cứng với các kiến ​​trúc xử lý khác nhau, tập lệnh khác nhau và chức năng khác nhau vào một hệ thống điện toán. Đồng thời, tích hợp không đồng nhất cũng là sự hợp tác giữa các chip, gói, hệ thống và phần mềm. Nó không phải là một điểm kỹ thuật đơn lẻ, mà là sự tổng hợp của nhiều điểm kỹ thuật, liên quan đến sự tích hợp của các thiết bị, thiết kế, thuật toán phần mềm, v.v., để đạt được một hệ thống không đồng nhất hiệu quả.

Định luật Moore thực sự đã trở thành biểu tượng của ngành công nghiệp bán dẫn, nhưng mọi người cần phải từ bỏ nỗi ám ảnh về việc thu nhỏ kích thước nút quy trình để thúc đẩy sự phát triển liên tục của công nghệ bán dẫn. 

Về vấn đề này, Mao Junfa, một viện sĩ của Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc, đã chỉ ra rằng hiện nay có hai hướng phát triển chính cho công nghệ bán dẫn: tiếp tục theo Định luật Moore và đi chệch hướng Định luật Moore. Khi việc tiếp tục theo Định luật Moore gặp phải hàng loạt thách thức cực kỳ lớn, bao gồm giới hạn của các nguyên lý vật lý, phương tiện kỹ thuật và chi phí kinh tế, thì việc đi chệch hướng Định luật Moore là một hướng phát triển khả thi. Mạch tích hợp dị thể là một trong những cách quan trọng để vượt qua Định luật Moore.

Mao Junfa nhấn mạnh rằng tầm quan trọng khoa học của việc nghiên cứu tích hợp dị thể bán dẫn cũng rất đáng kể. Thông qua mạch tích hợp, mạch tích hợp có thể phát triển từ quy trình đồng nhất đơn lẻ hiện tại sang tích hợp nhiều quy trình dị thể, và từ tích hợp phẳng hai chiều hiện tại sang tích hợp ba chiều, từ đó hiện thực hóa các hệ thống phức tạp hiệu năng cao. Đặc điểm của tích hợp dị thể rất nổi bật. Thứ nhất, nó có thể tích hợp các vật liệu bán dẫn, quy trình, cấu trúc và linh kiện khác nhau; thứ hai, nó áp dụng các khái niệm thiết kế hệ thống; thứ ba, nó áp dụng các công nghệ tiên tiến như IP và chiplet, với cấu trúc mật độ cao 2.5 chiều hoặc 3 chiều. Kết quả là, chip tích hợp dị thể có thể đạt được các chức năng mạnh mẽ và phức tạp, vượt qua giới hạn hiệu năng của một quy trình bán dẫn đơn lẻ; đồng thời, chúng có tính linh hoạt cao, độ tin cậy cao, chu kỳ nghiên cứu và phát triển ngắn, và có thể đạt được sự thu nhỏ và trọng lượng nhẹ.

Các nhà sản xuất quốc tế lớn đã cho ra mắt các công nghệ tích hợp không đồng nhất.

Nhờ những ưu điểm này, tích hợp dị thể đã trở thành con đường chính cho sự phát triển của công nghệ bán dẫn trong kỷ nguyên hậu Moore, và ngày càng nhiều nhà sản xuất lớn coi trọng nó. Tại Computex (Triển lãm Máy tính Đài Bắc) năm nay, AMD đã ra mắt sản phẩm thử nghiệm Ryzen 5000, sử dụng công nghệ đóng gói tiên tiến 3D Fabric của TSMC để đóng gói thành công các chiplet chứa bộ nhớ đệm L3 64MB cùng với bộ xử lý trong một chồng chip 3D. Theo AMD, công nghệ này có thể tăng mật độ kết nối lên hơn 200 lần đối với chip 2D, và cũng có thể đạt hơn 15 lần so với các giải pháp đóng gói 3D hiện có.

Dựa trên sự phát triển của công nghệ tích hợp không đồng nhất, Intel đã đề xuất khái niệm XPU. Song Jiqiang cho biết: "Đối với Intel, chúng tôi thúc đẩy sự đổi mới trong điện toán không đồng nhất thông qua việc tích hợp không đồng nhất các XPU có kiến ​​trúc khác nhau và mô hình lập trình đa kiến ​​trúc thống nhất oneAPI để đạt được sự hợp tác giữa phần mềm và phần cứng, đáp ứng nhiều khối lượng công việc hơn, đạt hiệu quả năng lượng cao, giúp khách hàng giảm chi phí và nhanh chóng cung cấp các giải pháp theo nhu cầu."

Tại sự kiện "Ngày Kiến trúc" năm ngoái, Intel đã giới thiệu công nghệ Hybrid Bonding dựa trên công nghệ đóng gói 2D EMIB (Embedded Multi-chip Interconnect Bridge), công nghệ đóng gói 3D Foveros và công nghệ CO-EMIB kết hợp cả 2D và 3D. Công nghệ này giúp đạt được khả năng dẫn điện cao hơn thông qua các kết nối điện, đẩy nhanh quá trình hiện thực hóa khoảng cách giữa các chân tiếp xúc (bump pitch) xuống còn 10 micron trở xuống, mang lại mật độ kết nối cao hơn, băng thông rộng hơn và mức tiêu thụ điện năng thấp hơn cho các môi trường truyền dẫn không đồng nhất.

Không chỉ Intel và AMD, mà cả các nhà sản xuất chip hàng đầu quốc tế như NVIDIA, Qualcomm, Xilinx, v.v. đều rất coi trọng công nghệ tích hợp dị thể. Trong nước, các công ty như Unisoc, Beijing Ingenics và Vimicro cũng đang tích cực nghiên cứu và phát triển công nghệ tích hợp dị thể và cho ra mắt các sản phẩm và giải pháp liên quan. Sản phẩm Tanggula T770 mới ra mắt của UNISOC tích hợp 4 nhân ARM A76, 4 nhân ARM A55, GPU Mali-G57 và các chip xử lý băng tần cơ sở, v.v., là một ứng dụng điển hình của công nghệ tích hợp dị thể.

Cần phải phá bỏ lối suy nghĩ "con đường" truyền thống.

Mặc dù triển vọng phát triển của tích hợp dị thể rất rộng mở, nhưng việc hiện thực hóa nó không hề dễ dàng. Mao Junfa nhấn mạnh rằng, do các môi trường có tính chất và chức năng khác nhau liên kết chặt chẽ và thường xung đột với nhau, nên khi thiết kế mạch dị thể, cần phải giải quyết các vấn đề về điện từ-nhiệt-ứng suất, thiết kế hợp tác đa vật lý và thiết kế hợp tác đa chức năng của các mạch chủ động/thụ động và mạch số/tương tự. Về mặt sản xuất quy trình, việc điều chỉnh các thông số quy trình tích hợp dị thể cũng sẽ bị ảnh hưởng bởi các tính chất đa vật lý của điện, nhiệt và ứng suất. Cần phải hiểu mối quan hệ nội tại của chúng và nắm vững các cơ chế thiết kế định lượng và tối ưu hóa quy trình.

Song Jiqiang cũng tin rằng việc tích hợp đa dạng cần phải thoát khỏi một kiến ​​trúc duy nhất về phần cứng, và kiến ​​trúc XPU tích hợp nhiều kiến ​​trúc sẽ trở thành xu hướng chủ đạo. Sự ra đời của kiến ​​trúc XPU đã đặt ra những yêu cầu cao hơn đối với phần mềm, bởi vì các nhà phát triển có thể thành thạo nhiều ngôn ngữ lập trình kiến ​​trúc cùng một lúc rất hiếm, và phần mềm là một phần quan trọng để giải phóng hiệu năng phần cứng. Các mô hình phần mềm có thể lập trình trên nhiều kiến ​​trúc và các công cụ có thể nâng cao hiệu quả lập trình là vô cùng quan trọng.

Intel đã đề xuất sáu trụ cột kỹ thuật, đóng vai trò quan trọng trong việc triển khai XPU, bao gồm bộ xử lý, kiến ​​trúc, bộ nhớ, kết nối, bảo mật và phần mềm. Mặc dù điện toán dị cấu dường như là nội dung ở cấp độ phần cứng, nhưng để phát huy hết khả năng của nó, cần phải tích hợp các chip, hệ thống và phần mềm trước khi nó có thể phát huy tác dụng. Đầu tiên là lớp chip, đề cập đến tính dị cấu bên trong gói chip và có liên quan chặt chẽ đến khái niệm "chip nhỏ"; thứ hai là lớp hệ thống, đề cập đến sự tích hợp các kiến ​​trúc điện toán đa chức năng và đa kiến ​​trúc; thứ ba là lớp phần mềm, mô hình lập trình đa kiến ​​trúc thống nhất oneAPI, có thể cung cấp cho các nhà phát triển sự thuận tiện trong việc lập trình trên các kiến ​​trúc khác nhau thông qua một tập hợp các giao diện phần mềm và một tập hợp các thư viện chức năng.

Trước sự phát triển của tích hợp dị thể, Mao Junfa đã đề xuất một ý tưởng nghiên cứu tổng thể, đó là phá vỡ lối tư duy "con đường" truyền thống về mạch tích hợp, dựa trên lý thuyết đa vật lý kết hợp, hướng đến việc hình thành khả năng tích hợp dị thể, kết hợp các lĩnh vực và con đường để dẫn dắt hướng đi kỹ thuật của mạch tích hợp dị thể bán dẫn.

Tuyên bố miễn trừ trách nhiệm: Bài viết này được sao chép từ "Hiệp hội Công nghiệp Bán dẫn Trung Quốc". Bài viết này chỉ thể hiện quan điểm cá nhân của tác giả và không đại diện cho quan điểm của Sacco Micro hay toàn ngành. Bài viết chỉ được phép đăng lại và chia sẻ để hỗ trợ bảo vệ quyền sở hữu trí tuệ. Vui lòng ghi rõ nguồn và tác giả khi đăng lại. Nếu phát hiện vi phạm bản quyền, vui lòng liên hệ với chúng tôi để xóa bỏ.

Số điện thoại công ty: +86-0755-83044319
Số fax: +86-0755-83975897
Email: 1615456225@qq.com
QQ: 3518641314 Quản lý Li

QQ: 332496225 Quản lý Qiu

Địa chỉ: Phòng 809, Tòa nhà C, Tòa nhà Công nghệ Zhantao, Số 1079 Đại lộ Minzhi, Khu Longhua Mới, Thâm Quyến