Помимо Мура, Samsung на пути к гетерогенной интеграции
Гетерогенная интеграция Samsung Moore
На недавно состоявшемся форуме SamsungFoundry Forum в 2021 году компания Samsung представила новый прогресс 2/3-нм техпроцесса и публично представила новый 17-нм техпроцесс. Мун Су Кан, вице-президент Samsung по маркетинговой стратегии, также объявил о плане Samsung по гетерогенной интеграции и о том, как добавить еще одно «измерение» к закону Мура для отраслевых партнеров.
1
Сравнение изменения площади флагманских графических процессоров и мобильных чипов / Samsung
На протяжении десятилетий полупроводниковая промышленность неуклонно продвигала закон Мура, используя более совершенные процессы для создания большего количества транзисторов. Это то, что мы часто называем «продолжением решения Мура», и это также является самой большой движущей силой для непрерывных инноваций в настоящее время. вычислительные и схемные поля.
Несмотря на продолжение закона Мура, область чипов все еще расширяется.Например, GPU, стремящийся к вычислительной мощности, приближается к пределу размера маски. Вместе с увеличением количества транзисторов стоимость проектирования и производства микросхем постоянно росла. В глазах многих людей, полагаться исключительно на «Продолжение Мура» больше не является технически и экономичным решением.
В то же время в одном чипе интегрировано больше функций и возможностей, но нет единого процесса, который мог бы удовлетворить потребности всех различных функций, таких как аналоговые, радиочастотные, высоковольтные и т. Д., Даже если это может быть При соблюдении этих требований невозможно добиться отличной производительности и сбалансированности затрат. Программа «Продолжение Мура» бессильна перед такими вызовами, поэтому возникла «расширенная» программа гетерогенной интеграции Мура. За счет дополнения двух программ мы вместе достигнем «Beyond Moore».
Чиплет: спаситель для снижения затрат и увеличения урожайности
С добавлением большего количества функций к одному чипу, даже если закон Мура сохраняется, его площадь чипа все еще увеличивается.Использование одного и того же технологического узла для всех конструктивных блоков с различными функциями стало вариантом смещения.К счастью, Chiplet теперь спасает. Появился. Разделение большого куска кристалла на более мелкие чиплеты и использование оптимального производственного процесса для каждого чиплета может значительно повысить выход всего кристалла при одновременном снижении производственных затрат. Например, некоторые конкретные интерфейсные IP-адреса не будут оптимизированы по площади или производительности из-за использования передовых производственных процессов.Использование зрелых производственных процессов и специализированных производственных процессов для этих IP-адресов может привести к снижению затрат и повышению производительности.
2
Решение Chiplet / Samsung
Другое возможное решение - модульная конструкция и производство, заключающаяся в повторном использовании одного и того же чиплета компонента. Многие IP-модули могут быть повторно использованы в качестве чиплетов. Только другие части микросхемы нуждаются в переработке и производстве. Это значительно снижает стоимость проектирования, разработки и производства, и производители микросхем могут использовать это для более быстрого создания итераций продукта.
X-Cube: вертикальная 3D-интеграция
Гетерогенная интеграция необходима не только из соображений стоимости и доходности, но также может способствовать дальнейшему повышению производительности микросхемы. В традиционных 2D-конструкциях путь прохождения сигнала составляет несколько миллиметров. При трехмерной интеграции, наложение чипов может сократить путь прохождения сигнала до нескольких микрон, что значительно улучшает задержку чипа. Кроме того, улучшенный межстрочный интервал в 3D-интеграции может обеспечить более высокую пропускную способность и еще больше повысить производительность микросхемы.
Еще в 2014 году компания Samsung впервые реализовала трехмерное наложение большой памяти ввода-вывода и процессора мобильных приложений, что является технологией Samsung Widcon. Впоследствии технология наложения 3D-чипов продолжала развиваться, и на свет появилась серия продуктов памяти HBM. HBM формируется путем объединения DRAM и логики и соединения микровыступов и TSV. Именно благодаря технологии трехмерного наложения Samsung смогла разработать трехслойный датчик изображения CMOS, который состоит из датчиков изображения, логики и трех разных кристаллов DRAM, уложенных вместе.
В 2020 году Samsung представила технологию X-Cube, которая позволяет размещать два кристалла логического блока вертикально, образуя единый 3D-чип, который подключается к TSV с помощью микровыступов. X-Cube делится на две формы: две матрицы соединены микровыступами или прямым медным соединением.
3
Дорожная карта X-Cube / Samsung
Первое поколение технологии X-Cube (u-Bump) в основном полагается на соединение с микровыступами. Samsung выпустила TSV PDK для 7-нм логического процесса, используя структуру F2B, шаг выпуклости составляет 40 мкм. TSV PDK для 4/5 нм также был выпущен с использованием структуры F2F, а шаг выступа уменьшен до 25 мкм. Технология X-Cube второго поколения (без выступов), которая все еще находится в стадии разработки, использует технологию прямого соединения меди, а шаг уменьшен до 4 мкм.
Стоит отметить, что технология стекирования Intel Foveros3D примерно такая же, как у Samsung X-Cube. Шаг выступа у Foveros первого поколения составляет от 36 до 50 мкм, а технология FoverosOmni следующего поколения также может достигать шага в 25 мкм. Foveros Direct, который все еще находится в стадии разработки, также использует прямое соединение меди, утверждая, что шаг выступа уменьшен до менее 10 мкм.
В прошлой архитектуре X-Cube площадь нижнего кристалла была больше, чем площадь верхнего кристалла. Однако, чтобы лучше удовлетворить различные требования клиентов в отношении разделения кристалла и отвода тепла, Samsung также предоставит структуру, в которой верхний кубик в будущем будет больше, чем нижний. В настоящее время Samsung завершила проверку трехмерной стековой SRAM. При 7-нм техпроцессе она может обеспечить пропускную способность 48,6 ГБ / с, а также задержку чтения 7,2 нс и задержку записи 2,6 нс.
Кроме того, Samsung также предлагает дифференцированную технологию ISC (Integrated Stacked Capacitor). В этом конденсаторе используется кремниевый конденсатор, структура, материал и технология, которые были проверены в продуктах Samsung DRAM, и имеют плотность емкости 1100 нФ / мм2, что может эффективно улучшить целостность питания. ISC Samsung также предлагает множество различных конфигураций, таких как дискретный тип, тип кремниевого переходника и тип стека с несколькими пластинами, чтобы удовлетворить различные структурные потребности клиентов. Ожидается, что ISC выйдет на стадию массового производства в 2022 году.
I-Cube: горизонтальная комбинация 2.5D
С другой стороны, чтобы объединить чипы по горизонтали, Samsung разработала так называемую технологию 2.5D I-Cube, которая объединяет логические ячейки и несколько HBM на одном кремниевом переходнике. В настоящее время Samsung успешно наладила массовое производство одной логической матрицы + двух HBM I-Cube2, и одним из готовых продуктов является микросхема Baidu Kunlun AI. Чип Baidu Kunlun AI использует не только 14-нм техпроцесс Samsung, но и технологию Samsung I-CUBE 2.
I-Cube использует технологию предварительного отбора для проведения эксплуатационных испытаний на промежуточном этапе упаковки для повышения урожайности. Технология также использует неинкапсулированную структуру для достижения лучшего теплоотвода.По данным Samsung, эффективность рассеивания тепла у I-Cube на 4,5% выше, чем у традиционного решения 2.5D. Кроме того, по сравнению с другими производителями технология Samsung I-Cube имеет ряд преимуществ. Например, она сотрудничает с Samsung Memory и первой использует новейшие решения для памяти.
4
Схема I-Cube4 / Samsung
В настоящее время Samsung планирует массовое производство I-Cube4, интегрированного с модулями 4HBM3, а также 6 HBM I-Cube6, готовых к массовому производству. Ожидается, что первый будет запущен в массовое производство в 2022 году. Samsung даже подготовила решение I-Cube8 с двумя логическими матрицами + 8 HBM.Оно все еще находится в стадии разработки и, как ожидается, будет официально запущено в конце 2022 года.
5
Решения для упаковки 2D в 3.5D / Samsung
В дополнение к технологии 2D, 2.5D и 3D IC, Samsung также разрабатывает новую упаковочную технологию 3.5D. Эта система-в-пакете также добавит многослойную настраиваемую матрицу DRAM или SRAM для достижения более высокой производительности и плотности.
резюме
При разработке интегрированной многочиповой или многочиплетной системы на кристалле 2.5D / 3D дизайнеры часто сталкиваются с техническими препятствиями, которые редко встречаются в традиционной однокристальной конструкции, такими как дополнительный IP-интерфейс интерфейса или возможное увеличение энергопотребления. В настоящее время Samsung, TSMC и Intel, только что представившая IDM 2.0, также предоставят методы и инструменты разнородного проектирования, которые помогут дизайнерам преодолеть эти проблемы. В соответствии с общей тенденцией гетерогенной интеграции литейные предприятия также будут предоставлять больше моделей услуг, добавляя услуги по упаковке, тестированию и универсальному дизайну.
