Integração heterogênea encontrando sua base

A Semiconductor Engineering sentou-se para discutir a integração heterogênea com Dick Otte, presidente e CEO da Indústrias Promex; Mike Kelly, vice-presidente de integração de chips/FCBGA da Tecnologia Amkor; Shekhar Kapoor, diretor sênior de gerenciamento de produtos da Synopsys; John Park, diretor do grupo de gerenciamento de produtos em CadênciaGrupo personalizado de IC e PCB; e Tony Mastroianni, diretor de soluções avançadas de embalagem da Siemens Digital Industries Software. O que se segue são trechos dessa conversa.

[L – R] Dick Otte, Mike Kelly, John Park, Shekhar Kapoor e Tony Mastroianni.

SE: Como você define integração heterogênea e como ela mudou? Isso são apenas chips? São SoCs? Ou são CIs 3D?

Parque: Fazemos integração e empacotamento heterogêneos há décadas com módulos multichip e, eventualmente, sistemas em pacotes. Não chamamos isso de integração heterogênea, mas era isso que estávamos fazendo. Não usamos esse termo no mundo das embalagens até que as pessoas começaram a desagregar seus chips, seja por rendimento, custo ou formato. Há muitas coisas que entram em jogo com as pessoas que desejam desagregar o chip em vários blocos de construção e serem capazes de projetar esses blocos de construção em qualquer nó de processo ou tecnologia que faça mais sentido. E então agregamos isso ao mundo das embalagens após o fato. Alguém que tradicionalmente teria abordado seu design como um chip monolítico agora está abordando seu design como um pacote que contém vários chips. Eles estão explodindo e formando diferentes blocos de construção chamados chips. A integração desses chips em diferentes tecnologias é o que chamo de integração heterogênea.

Kelly: A integração heterogênea é o superconjunto. Um chiplet é um bloco funcional retirado do que poderia ter sido uma matriz monolítica integrada e agora é um chiplet. Quer seja o bloco de E/S ou alguma parte da computação, eles podem ser chips. Integração heterogênea é um termo mais amplo. Começamos com MCMs há muito, muito tempo, com integração heterogênea de componentes diferentes em um único pacote.

Kapur: No mundo de hoje, a integração heterogênea reúne muitas peças em um único pacote avançado. Essas peças podem ser de vários tipos, não apenas matrizes de silício. Eles poderiam ser matrizes compostas II-VI ou III-V. Assim, você pode reunir silício e fotônica, e diferentes tipos de materiais, tudo em um único pacote. O termo está se expandindo nesse sentido. No passado, com 2.5 D, quando falávamos sobre matrizes diferentes e HBM, não chamaríamos isso de integração heterogênea. As pessoas simplesmente chamariam isso de design de interpositor de silício. Agora ele está sob o guarda-chuva de embalagens avançadas, que podem ser 2.5D, fan-out ou 3D-IC. Mas se você estiver integrando qualquer uma das peças, tudo isso será integração heterogênea. Os modos de integração poderiam ser diferentes, mas ainda é uma mistura de tecnologias em um único pacote.

Otte: Integração heterogênea é um termo que tem se tornado mais amplamente utilizado nos tempos contemporâneos, à medida que pegamos mais funcionalidades e as movemos para cima, mais perto da fábrica, em nossas tecnologias de embalagem. Muitas dessas funcionalidades que agora estão sendo adicionadas mais perto do nível do chip costumavam ser adicionadas no nível da placa de circuito ou no nível da caixa. Agora estamos adicionando-os em um interposer ou tipo de coisa chip-on-chip. Puxar todas essas peças sem silício rio acima, mais perto da matriz, é uma boa maneira de descrever essa tendência aqui. Originalmente, significava fazer coisas como utilizar fosfeto de índio com CMOS, por exemplo, mas isso rapidamente se espalhou a jusante. Agora, quando você adiciona um componente óptico a um dispositivo CMOS, algumas pessoas chamam isso de integração heterogênea.

Mastroianni: Defino um chiplet como um CI que foi projetado e integrado, ou projetado e otimizado para ser integrado em um pacote. A integração desses chips é uma integração heterogênea, seja 2.5D ou 3D-IC. Heterogêneo implica tecnologias diferentes. Eles podem ser todos de silício, mas desenvolvidos em diferentes nós de tecnologia. Em alguns dos trabalhos que estamos fazendo com a DARPA, eles estão definindo integração heterogênea como mistura de silício e não-silício, portanto, tipo III e V. Heterogêneo pode ser estendido a múltiplas tecnologias ASIC em silício, mas tecnologias sem silício, também. Então é realmente ter chips projetados para serem integrados no pacote. E essa é a diferença entre os MCMs tradicionais. O HBM não é um verdadeiro chiplet, mas realmente lançou toda a abordagem 2.5D. Eles estão conectados com interfaces padrão, como UCIe e BoW. O HBM era como um chiplet muito especializado que foi projetado com uma interface muito customizada e padronizada e uma interface HBM, então é como um chiplet pronto para uso e uma parte comercial. Se você recuar um pouco, verá que qualquer pessoa que faça esse tipo de design hoje, onde vários chips personalizados estão sendo integrados, estará fazendo vários designs personalizados, o que é uma proposta muito cara. Para que isso tenha maior adoção em toda a indústria, precisamos de mais tipos de componentes padrão e prontos para uso, como HBMs, e precisamos de um ecossistema para apoiar isso.

SE: Onde você vê a integração heterogênea funcionando melhor e o que torna isso bem-sucedido? São estritamente mais funções por design, porque agora estamos ultrapassando os limites do retículo e não há outra maneira de fazer isso? Ou existem outros benefícios aqui?

Parque: Vejo uma integração heterogénea nestas grandes empresas verticalmente integradas, como as grandes empresas de processadores, onde dispõem dos recursos para desenvolver os seus próprios chips. Existe a vantagem da reutilização para eles. Eles não estão necessariamente compartilhando esses chips com o mundo exterior, mas estão aproveitando-os para fins de reutilização. Eles podem separar partes da lógica que não são escaláveis, como E/S e analógico/RF. Não há razão para reduzir essas peças para 5 nm ou 3 nm quando elas podem ser projetadas para 28 nm. Isso economiza dinheiro e você pode reutilizá-los. Essa é uma área. Existem muitos outros que têm a ver com formatos exóticos, como produtos que são colocados no corpo humano. A integração heterogênea não é o que a DARPA originalmente imaginou. Não existe loja ou catálogo de chips disponíveis comercialmente, que era o objetivo do programa DARPA CHIPS. Ainda estamos trabalhando para isso.

Kapur: O interpositor de silício com 2.5D, onde a HBM tem sido usada, já existe há alguns anos. Esse é um exemplo de integração heterogênea. Existem também todos esses designs de data center HPC onde você divide o cache e coloca a memória diretamente na lógica. Esse é um exemplo em que você tem grandes necessidades de computação que estão funcionando. Há muitas, muitas empresas de HPC caminhando nessa direção. Esses são os principais que estão vindo à tona. E há algumas aplicações de consumo, como um sensor de imagem CMOS, onde você tem uma matriz lógica de transistor e uma matriz de sensor de fotodiodo. O formato os leva a fazer integração heterogênea. O setor automotivo também é um bom exemplo. Diferentes níveis estão começando a fazer eles próprios projetos de silício. É aí que entra em jogo toda a resiliência do ecossistema, os drivers, para que possamos disponibilizar todas essas matrizes para fazer o design baseado em chips. É uma área emergente, mas estamos começando a ver que a integração heterogênea poderia funcionar muito bem com esta abordagem, com base na dinâmica de um determinado segmento de mercado ou vertical.

Otte: Vemos dois lugares onde a integração heterogênea teve sucesso. Uma delas está no espaço óptico, onde dispositivos CMOS convencionais são combinados com circuitos integrados fotônicos. Eles têm guias de ondas e lasers. O segundo lugar que vimos isso foi na biotecnologia, onde as pessoas pegam pastilhas de silício de 12 centímetros e colocam produtos químicos diferentes nelas. E então eles desenvolvem isso e, em última análise, utilizam técnicas ópticas ou eletrônicas para analisar fluidos que passam pela superfície do chip. Da nossa perspectiva, também nos referimos a isso como integração heterogénea, mas isso começa a esticar o termo. Está muito longe de onde começou originalmente.

Kapur: Também vemos a mesma coisa. A óptica co-empacotada é outra área onde o tráfego do data center entra em ação. Estamos vendo todos esses semicondutores compostos.

Kelly: Isso está realmente ampliando o horizonte para o que poderia ser chamado de heterogêneo, e é emocionante. Olhando para trás e para o que temos trabalhado recentemente, uma coisa que funcionou bem foi incluir DRAM no pacote. Reduzir a potência do processador para a DRAM realmente liberou um orçamento de energia que poderia ser gasto na obtenção de mais desempenho. Isso foi uma coisa boa. Se você gosta de jogos, gráficos e CAD 3D, isso foi um grande negócio. Mas o maior benefício que vimos é que os chips permitiram que a computação, em todas as suas diversas formas, aumentasse o desempenho nesses nós mais novos a um custo que ainda é aceitável. Isso é realmente um grande negócio para a nossa indústria, porque não é possível projetar uma enorme matriz de 3 nm de maneira acessível. Ele precisa ser dividido em componentes que façam mais sentido, então você gasta os FETs de 3 nm em algo que precisa deles. Portanto, a aproximação da DRAM e o uso de chips para permanecer na curva ou linha de desempenho por dólar faz sentido para nossa indústria.

Mastroianni: Se olharmos para o que funciona melhor, eu diria designs baseados em HBM. Neste ponto, essa é uma tecnologia madura. Todos os padrões existem para integrar essa tecnologia. Os interpositores de silício são bastante simples. Existem muitos aplicativos que podem aproveitar a memória próxima ao chip. Nesse caso, normalmente você está apenas projetando um chip personalizado e algumas interfaces. Estamos vendo uma adoção mais ampla disso por cada vez mais empresas. Está se tornando acessível. E há também aplicações de computação de alto desempenho e do tipo IA, nas quais as grandes empresas de processadores estão empilhando memórias e fabricando chips muito sofisticados e personalizados. Isso faz muito sucesso, mas é muito caro. As empresas que constroem esses sistemas enormes e muito complexos podem dar-se ao luxo de fazer isso e estão a obter benefícios financeiros disso. Há alguma sensação de 3D, mas é mais uma abordagem manual de dados empilhados. O outro tipo de 3D que as pessoas estão fazendo hoje são chips do tipo sensor, onde empilham sensores em cima de memórias e processadores. O verdadeiro 3D ainda está por aí, e isso vai precisar de ferramentas para ser capaz de pegar um sistema muito grande, decompô-lo em vários chips e, em seguida, posicioná-lo e encaminhá-lo. Não existe hoje, mas assim que a tecnologia estiver disponível, ela será adotada de forma mais ampla.

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• Fonte: https://semiengineering.com/heterogeneous-integration-finding-its-footing/