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異構(gòu)集成路線圖和芯片的未來
異構(gòu)集成路線圖和芯片的未來
今年電子元件和技術(shù)會議 (ECTC) 舉辦了一系列關(guān)于異構(gòu)集成的研討會，并對異構(gòu)集成路線圖的當(dāng)前狀態(tài)（2019 年修訂版）進(jìn)行了很好的概述。SoM/CoM 的出現(xiàn)，以及智能手機(jī)等專業(yè)應(yīng)用中大量 SoC 的出現(xiàn)，都說明集成如何在增加芯片功能而不顯著增加其占用空間方面發(fā)揮作用。電子產(chǎn)品中的集成計劃最初是為了一個目標(biāo)而開發(fā)的：將更多功能引入更小的空間，并在不增加占地面積的情況下繼續(xù)擴(kuò)展設(shè)備。
異構(gòu)集成成為過去十年 ASIC 出現(xiàn)的更大主題，但通過先進(jìn)的封裝技術(shù)將其提升到一個新的水平。如果您是 PCB 設(shè)計師或系統(tǒng)設(shè)計師，更高集成度的組件將如何影響您的設(shè)計和布局實踐？我們已經(jīng)可以從當(dāng)今用于數(shù)據(jù)中心服務(wù)器和軍用航空嵌入式計算的一些先進(jìn) GPU 和 CPU 產(chǎn)品中獲得一些指導(dǎo)。然而，隨著嵌入式人工智能、量子、5G/6G、先進(jìn)機(jī)器人和混合功能系統(tǒng)等技術(shù)變得越來越普遍，這些產(chǎn)品將不可避免地滲透到日常設(shè)計師中。
半導(dǎo)體行業(yè)的整合
半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會 (SIA) 最近宣布將在 2016 年春季停止開展國際半導(dǎo)體技術(shù)路線圖 (ITRS) 中概述的活動。在此之前，該行業(yè)遵循其自己的國家半導(dǎo)體技術(shù)路線圖 ( NTRS）直到國際公司在 1990 年代后期開始加入。從 ITRS 轉(zhuǎn)向新的集成范式是一個重大轉(zhuǎn)變，尤其是當(dāng)您聽到很多關(guān)于摩爾定律在推動半導(dǎo)體縮放方面的主導(dǎo)地位時。今天，業(yè)界的每個人都承認(rèn)，除了英特爾和臺積電等大公司之外，摩爾定律下的持續(xù)擴(kuò)展正在為所有人帶來收益遞減。
在 ITRS 之后出現(xiàn)了國際設(shè)備和系統(tǒng)路線圖，其中的一個子集是異構(gòu)集成路線圖。在當(dāng)今物聯(lián)網(wǎng)、云連接數(shù)據(jù)中心和智能設(shè)備時代，該技術(shù)路線圖將重點從基于晶體管的電路的物理縮放轉(zhuǎn)移到了當(dāng)前的 7 納米以下節(jié)點?，F(xiàn)在的重點是具有應(yīng)用程序驅(qū)動路線圖的新架構(gòu)，以支持大量新應(yīng)用程序。當(dāng)您考慮到異構(gòu)集成的重點是將不同的功能打包到一個包中時，電路板設(shè)計人員還需要做什么？
事實證明，留給電路板設(shè)計師的還有很多，事實上，他們將充當(dāng)現(xiàn)實世界和黑匣子組件之間的主要接口。首先，讓我們看看什么是異構(gòu)集成，我們將看到 PCB 設(shè)計人員的角色將如何繼續(xù)從基本布局任務(wù)轉(zhuǎn)移到板級系統(tǒng)設(shè)計和集成。
什么是異構(gòu)集成？
非常簡單，異構(gòu)集成是將可能單獨制造的多個組件集成到一個真正的系統(tǒng)級封裝 (SiP) 中，其中單個組件通過連接所有組成組件來提供所有功能。想想一個 SoC，但它有更多的硅芯片；每個組件都是單獨制造的，并通過標(biāo)準(zhǔn)互連結(jié)構(gòu)連接在一起。
要了解這意味著什么，讓我們看看我們?nèi)绾潍@得異構(gòu)集成組件?？紤]下面的例子：我們有來自不同晶圓廠的多個半導(dǎo)體芯片，并且可能在不同的節(jié)點使用不同的技術(shù)生產(chǎn)。它們被集成到單個中介層中，并使用標(biāo)準(zhǔn)方法（通孔和軌道）互連。這些模塊化模具中的任何一個都可以像樂高積木一樣通過標(biāo)準(zhǔn)化接口連接在一起。
異構(gòu)集成中的簡化思想
在某些方面，這模仿了從 1970 年代到今天開發(fā) ASIC 的推動，當(dāng)時使用通用可編程邏輯或分立元件很難處理的功能是用單個專用芯片實現(xiàn)的?，F(xiàn)在，您將為特定應(yīng)用構(gòu)建的大多數(shù)電路板都涉及一系列 ASIC、一些電源調(diào)節(jié)組件、一堆無源器件、一個處理器，也許還有一些特殊的邏輯組件。如果您正在構(gòu)建一個需要模擬前端或必須從另一臺儀器捕獲一些模擬信號的電路板，那么該模塊將內(nèi)置到您的 ASIC 中，或者您可以使用一些接口 IC（例如，ADC）放在板上以實現(xiàn)該功能。
當(dāng)前的單片機(jī)模塊結(jié)構(gòu)
對于不一定關(guān)注半導(dǎo)體封裝發(fā)展的設(shè)計師，我在下面展示了一些集成方法的示例和示例 SoC。左上角的圖像顯示了典型的BGA 封裝，其中硅芯片封裝在模塑料中。頂行的另外兩個圖像顯示了如何堆疊多個芯片并相互連接或通過鍵合線連接到 BGA 封裝。最后，下圖顯示了最復(fù)雜的異構(gòu)集成形式，其中存儲器和邏輯部分使用通孔集成到單個封裝中，稱為硅通孔 (TSV) 技術(shù)。
異構(gòu)集成示例。
為什么要專注于從一組較小的芯片構(gòu)建更大的封裝？在平面半導(dǎo)體制造工藝中，當(dāng)芯片較厚時，成品率會降低，因此當(dāng)將更多功能封裝到單個芯片上時，以 3D 方式構(gòu)建超大規(guī)模模塊變得不那么經(jīng)濟(jì)。使用與標(biāo)準(zhǔn)互連架構(gòu)互連的獨立管芯更可靠。它還允許芯片設(shè)計人員采用模塊化方法來開發(fā)芯片組件，其中多個芯片可以像樂高積木一樣組裝在一起。然后，您可以將其擴(kuò)展到多芯片組件，其中多個上述芯片結(jié)構(gòu)連接在一起形成一個封裝。這最近已在 AMD 的 Fiji 和 Epyc 處理器中使用，它是一種將多個內(nèi)核集成到單個芯片中的方法。
在組件和功能方面，異構(gòu)集成的大部分重點是將不同的數(shù)字組件封裝到更大的組件中，盡管模擬和機(jī)電組件（例如，MEMS）也是異構(gòu)集成的目標(biāo)組成部分。如果它可以通過平面工藝在晶圓上制造，那么它就是異構(gòu)集成的可能目標(biāo)。這種不同能力之間集成的潛力將我們引向了異構(gòu)集成路線圖中所關(guān)注的各個領(lǐng)域。
異構(gòu)集成路線圖中的重點領(lǐng)域
異構(gòu)集成路線圖于 2019 年發(fā)布，旨在解決阻礙特定應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步集成的挑戰(zhàn)。本文檔由三個反映電子生態(tài)系統(tǒng)當(dāng)前和未來狀態(tài)的 IEEE 協(xié)會贊助。異構(gòu)集成路線圖與其他標(biāo)準(zhǔn)路線圖的區(qū)別在于，它以應(yīng)用和挑戰(zhàn)為重點，而不是專注于特定功能。異構(gòu)集成路線圖中概述了六章，重點關(guān)注特定領(lǐng)域的技術(shù)挑戰(zhàn)：
高性能計算和數(shù)據(jù)中心，它們是持續(xù)小型化和集成的自然目標(biāo)
移動設(shè)備，包括 5G 和未來的移動網(wǎng)絡(luò)功能，如 6G
汽車，主要針對自動駕駛汽車
醫(yī)療/健康設(shè)備和可穿戴設(shè)備，通常需要一系列提供專門功能的組件
航空航天和國防，在物理大型系統(tǒng)中為專業(yè)應(yīng)用實現(xiàn)多種功能的另一個領(lǐng)域
物聯(lián)網(wǎng)，一個足夠廣泛的類別，可以與上述任何領(lǐng)域重疊
更深入地說，異構(gòu)集成路線圖解決了一些廣泛的組件組的技術(shù)挑戰(zhàn)和潛在的解決方案。其中一些組件組在許多系統(tǒng)中很常見，如今已通過多個電路或組件集實現(xiàn)：
單芯片和多芯片模塊
集成電力電子
集成傳感器平臺，包括 MEMS 傳感器
集成光子學(xué)
5G芯片組
不同層次的異構(gòu)集成
這里的趨勢之一是將更多的計算能力和附加功能打包到標(biāo)準(zhǔn)包中，但重點放在 3 個級別：
這些異構(gòu)集成級別中的每一個都旨在解決不同的技術(shù)挑戰(zhàn)。
芯片異質(zhì)性
芯片異質(zhì)性側(cè)重于通過將多個芯片集成到單個封裝中的功能級集成。這與小芯片和多芯片模塊的設(shè)計密切相關(guān)。此級別硬件集成的一些示例包括：
在同一模塊中混合不同的封裝樣式
垂直和水平堆疊多個芯片（2.5D/3D 集成）
將多個 SoC 模塊打包成一個更大的模塊
所有這些都與晶圓級封裝技術(shù)聯(lián)系在一起，例如用于垂直集成的 TSV 和用于無線 SiP 的臺積電集成扇出 (InFO)。非常需要不依賴鍵合線的互連技術(shù)，特別是對于在管芯之間傳遞的超高速串行數(shù)據(jù)流。
系統(tǒng)異構(gòu)
不同的產(chǎn)品更適合處理不同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)級集成旨在解決計算工作負(fù)載在不同模塊之間傳遞的任務(wù)。例如，重復(fù)向量計算最好在 GPU 上執(zhí)行，而AI 模型中使用的矩陣計算現(xiàn)在在 ASIC 上執(zhí)行。SiP 需要將這些選項與接口、內(nèi)存、處理器內(nèi)核和 I/O 接口一起提供，以便為特定工作負(fù)載提供最高效的計算處理。
這種級別的異構(gòu)集成更適合需要同時處理多個數(shù)據(jù)工作負(fù)載（標(biāo)量、向量、矩陣和空間）的數(shù)據(jù)中心。但是，這當(dāng)然可以擴(kuò)展到涉及射頻/無線以及光子學(xué)組件的嵌入式應(yīng)用。
用于具有集成光子電路的自動駕駛汽車應(yīng)用的示例 SiP。
固件/軟件同質(zhì)性
這是一項重大挑戰(zhàn)，因為它需要在嵌入式操作系統(tǒng)和一組標(biāo)準(zhǔn) API 方面對一組產(chǎn)品進(jìn)行重大標(biāo)準(zhǔn)化。這更困難，因為開發(fā)人員通常使用不同的語言和不同的專業(yè)領(lǐng)域。我們可能會繼續(xù)使用許多高級語言來開發(fā)將運行并與異構(gòu)模塊交互的應(yīng)用程序。但是，開發(fā)人員需要的是將多種語言的代碼編譯成單一代碼庫的單一開發(fā)環(huán)境。目前還不清楚這種類型的環(huán)境會是什么樣子，但芯片制造商正在努力開發(fā)這種類型的開發(fā)環(huán)境以支持異構(gòu)產(chǎn)品。
異構(gòu)集成對 PCB 設(shè)計師意味著什么
對于 PCB 設(shè)計人員而言，這種更高集成度的趨勢將更多功能和特性封裝到單個芯片上，并為設(shè)計人員提供了針對不同應(yīng)用的更專業(yè)的產(chǎn)品。在即將到來的技術(shù)領(lǐng)域工作的設(shè)計師將花費更少的時間將不同的組件組合在一起，因為標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品將在單個設(shè)備中包含所需的功能。PCB 設(shè)計人員仍將面臨布局挑戰(zhàn)，但異構(gòu)集成有助于減少整體組件數(shù)量、系統(tǒng)尺寸和所需的外圍設(shè)備，而無需改變 PCB 設(shè)計人員的布局實踐。
這是否意味著 PCB 設(shè)計人員只需在電路板上連接電源塊和異構(gòu)集成模塊？當(dāng)然不是……異構(gòu)集成路線圖是基于應(yīng)用程序的，旨在推動面向廣泛應(yīng)用領(lǐng)域的組件的生產(chǎn)。通過專注于廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，新產(chǎn)品將特定芯片組的組件整合到一個模塊中，并使用標(biāo)準(zhǔn)接口（PCIe、USB 等）將模塊鏈接在一起。