ムーアを超えて、サムスンの異種統合への道
サムスンムーア異種統合
2021年に最近開催されたSamsungFoundryForumで、Samsungは2 / 3nmプロセス技術の新しい進歩を明らかにし、新しい17nmプロセスを公開しました。サムスンのマーケティング戦略担当バイスプレジデントであるMoonSooKangは、サムスンの異種統合計画と、業界パートナー向けのムーアの法則に別の「次元」を追加する方法も発表しました。
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フラッグシップGPUとモバイルチップ間のエリア変更の比較/ Samsung
半導体業界は何十年もの間、より多くのトランジスタを実現するために、より高度なプロセスを使用してムーアの法則を絶え間なく推進してきました。これは、私たちがしばしば「ムーアの継続」ソリューションと呼ぶものであり、現在の継続的なイノベーションの最大の原動力でもあります。コンピューティングおよび回路分野。力。
ムーアの法則が続いているにも関わらず、チップ面積は拡大を続けており、例えば、計算能力を追求してきたGPUはマスクサイズの限界に近づいています。トランジスタ数の増加と相まって、チップの設計と製造のコストは際限なく増加しています。多くの人の目には、「Continuing Moore」だけに依存することは、もはや技術的かつコスト的に持続可能なソリューションではありません。
同時に、より多くの機能と機能が1つのチップに統合されていますが、アナログ、無線周波数、高電圧など、さまざまな機能すべてのニーズを満たすことができる単一のプロセスはありません。満たすと、優れたパフォーマンスとコストバランスを実現できません。 「ムーアの継続」プログラムはそのような課題に直面しても無力であるため、異種統合の「拡張ムーア」プログラムが登場しました。 2つのプログラムを補完することで、共同で「BeyondMoore」を実現します。
チップレット：コストを削減し、歩留まりを向上させる救世主
単一のチップに機能が追加されたことで、ムーアの法則が続いたとしても、そのチップ面積は増え続けています。異なる機能を持つすべてのデザインブロックに同じプロセスノードを使用することは、オフセットの選択になりました。幸い、Chipletは今や救世主です。現れた。大きなダイを小さなチップレットに分割し、各チップレットに最適な製造プロセスを使用することで、製造コストを削減しながら、チップ全体の歩留まりを大幅に向上させることができます。たとえば、一部の特定のインターフェイスIPは、高度な製造プロセスを使用しているため、面積やパフォーマンスが最適化されません。これらのIPに成熟した製造プロセスと専用のカスタム製造プロセスを使用すると、コストを削減し、パフォーマンスを向上させることができます。
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チップレットソリューション/サムスン
もう1つの実行可能なソリューションは、同じコンポーネントのチップレットを再利用するモジュラー設計と製造です。多くのIPモジュールはチップレットとして再利用できます。チップの他の部分のみを再設計して製造する必要があります。これにより、設計、開発、製造のコストが大幅に削減され、チップメーカーはこれを使用して製品の反復をより迅速に行うことができます。
X-Cube：垂直3D統合
異種統合は、コストと歩留まりを考慮するだけでなく、チップのパフォーマンスをさらに向上させることもできます。従来の2D設計では、信号経路の長さは数ミリメートルです。 3D統合では、チップを積み重ねることで信号経路を数ミクロンに減らし、チップの遅延を大幅に改善できます。さらに、3D統合のインライン間隔を改善すると、より高い帯域幅を実現し、チップのパフォーマンスをさらに向上させることができます。
早くも2014年に、SamsungはワイドIOメモリとモバイルアプリケーションプロセッサの3Dスタッキングを初めて実現しました。これはSamsungのWidconテクノロジーです。その後、3Dチップスタッキング技術の開発が続けられ、一連のHBMメモリ製品が誕生しました。 HBMは、DRAMとロジックをスタックし、マイクロバンプとTSVを接続することによって形成されます。サムスンがイメージセンサー、ロジック、DRAMの3つの異なるダイを積み重ねた3層CMOSイメージセンサーを開発できたのは、まさに3Dスタッキング技術のおかげです。
2020年、SamsungはX-Cubeテクノロジーを導入しました。これにより、2つのロジックユニットダイを垂直に積み重ねて1つの3Dチップを形成し、マイクロバンプでTSVに接続できます。 X-Cubeは2つの形式に分けられ、2つのダイはマイクロバンプまたは直接銅結合によって接続されます。
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X-Cubeロードマップ/ Samsung
第一世代のX-Cubeテクノロジー（u-Bump）は、主にマイクロバンプ接続に依存しています。Samsungは、F2B構造を使用した7nmロジックプロセス用のTSVPDKをリリースしました。バンプピッチは40umです。 F2F構造を採用した4 / 5nm用TSVPDKも発売し、バンプピッチを25umに低減。まだ開発中の第2世代X-Cubeテクノロジー（バンプレス）は、直接銅ボンディングテクノロジーを使用しており、ピッチは4umに縮小されています。
IntelのFoveros3Dスタッキングテクノロジールートは、SamsungX-Cubeのルートとほぼ同じです。第一世代のFoverosのバンプピッチは36umから50umの間であり、次世代のFoverosOmniテクノロジーも25umのバンプピッチを達成できます。まだ開発中のFoverosDirectも直接銅ボンディングを使用しており、バンプピッチが10um未満に減少したと主張しています。
過去のX-Cubeアーキテクチャでは、下部ダイの面積は上部ダイの面積よりも大きかったですが、チップの分割と熱放散に関する顧客のさまざまな要件をより適切に満たすために、Samsungは次のような構造も提供します将来的には、上部のダイが下部のダイよりも大きくなります。現在、Samsungは3DスタックSRAMの検証を完了しています。7nmプロセスでは、48.6GB / sの帯域幅、7.2nsの読み取り遅延、2.6nsの書き込み遅延を実現できます。
さらに、Samsungは差別化されたテクノロジーであるISC（Integrated Stacked Capacitor）も提供しています。このコンデンサは、Samsung DRAM製品で検証されたシリコンコンデンサの構造、材料、およびプロセスを適用し、1100nF / mm2の静電容量密度を備えているため、電力の完全性を効果的に向上させることができます。サムスンのISCは、ディスクリートタイプ、シリコンインターポーザータイプ、マルチウェーハスタックタイプなど、さまざまな構成を提供し、お客様のさまざまな構造ニーズに対応します。ISCは2022年に量産段階に入る予定です。
I-Cube：水平2.5Dの組み合わせ
一方、サムスンはチップを水平に組み合わせるために、ロジックセルと複数のHBMを同じシリコンインターポーザーに統合する、いわゆる2.5DテクノロジーI-Cubeを開発しました。現在、Samsungは1つのロジックダイ+2つのHBMI-Cube2の量産に成功しており、完成品の1つはBaiduのKunlunAIチップです。 BaiduのKunlunAIチップは、Samsungの14nmプロセスだけでなく、SamsungのI-CUBE2テクノロジーも使用しています。
I-Cubeは、事前スクリーニング技術を使用して、パッケージングの中間段階で動作テストを実行し、歩留まりを向上させます。また、このテクノロジーはカプセル化されていない構造を使用して、より優れた熱放散性能を実現しています。Samsungによると、I-Cubeの熱放散効率は従来の2.5Dソリューションより4.5％高くなっています。さらに、他のファウンドリと比較して、SamsungのI-Cubeテクノロジーにはいくつかの利点があります。たとえば、Samsung Memoryと連携し、最新のメモリソリューションを最初に使用します。
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I-Cube4回路図/ Samsung
サムスンは現在、4HBM3モジュールと統合されたI-Cube4の量産を計画しており、6つのHBMI-Cube6も量産の準備ができています。前者は2022年に量産に入る予定です。サムスンは、2つのロジックダイと8つのHBMを備えたI-Cube8ソリューションも準備しました。これはまだ開発段階であり、2022年末に正式に発売される予定です。
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2Dから3.5Dのパッケージソリューション/ Samsung
Samsungは、2D、2.5D、および3D ICテクノロジーに加えて、新しい3.5Dパッケージングテクノロジーも開発しています。このシステムインパッケージは、スタックされたカスタムDRAMまたはSRAMダイを追加して、より高いパフォーマンスと密度を実現します。
まとめ
2.5D / 3D統合マルチチップまたはマルチチップレットシステムオンチップを開発する場合、設計者は、追加のインターフェイスIPや潜在的な電力消費の増加など、従来のシングルチップ設計ではまれな技術的障害に直面することがよくあります。現時点では、IDM 2.0に参入したばかりのSamsung、TSMC、およびIntelも、設計者がこれらの課題を克服するのに役立つ異種の設計方法とツールを提供します。異種統合の一般的な傾向の下で、ファウンドリはより多くのサービスモデルを提供し、パッケージング、テスト、およびワンストップ設計サービスを追加します。
