Moore'un ötesinde, Samsung'un heterojen entegrasyona giden yolu
Samsung Moore Heterojen Entegrasyonu
2021'de kısa süre önce düzenlenen SamsungFoundry Forum'da Samsung, 2/3nm proses teknolojisinin yeni ilerlemesini açıkladı ve yeni bir 17nm prosesini herkese açık olarak yayınladı. Samsung'un pazarlama stratejisinden sorumlu başkan yardımcısı MoonSoo Kang, Samsung'un heterojen entegrasyon planını ve Moore Yasasına endüstri ortakları için nasıl başka bir "boyut" ekleneceğini açıkladı.
1
Amiral gemisi GPU'lar ve mobil çipler / Samsung arasındaki alan değişikliklerinin karşılaştırılması

Onlarca yıldır, yarı iletken endüstrisi, daha fazla transistör elde etmek için daha gelişmiş süreçler kullanarak aralıksız olarak Moore Yasasını teşvik ediyor. hesaplama ve devre alanları, kuvvet.
Moore Yasasının devam etmesine rağmen, çip alanı hala genişlemektedir.Örneğin, bilgi işlem gücünü takip eden GPU, maske boyutunun sınırına yaklaşıyor. Transistör sayısındaki artışla birleştiğinde, çip tasarımı ve üretim maliyeti sonsuz bir şekilde arttı. Birçok insanın gözünde, yalnızca "Devam Eden Moore"a güvenmek artık teknik ve maliyet açısından sürdürülebilir bir çözüm değil.

Aynı zamanda daha fazla fonksiyon ve özellik tek bir çip üzerinde entegre edilmiştir ancak analog, radyo frekansı, yüksek voltaj vb. gibi tüm farklı fonksiyonların ihtiyaçlarını karşılayabilecek tek bir proses yoktur. karşılandığında, mükemmel performans ve maliyet dengesi sağlayamaz. "Moore'un Devam Etmesi" programı bu tür zorluklar karşısında çaresiz kalıyor, bu nedenle heterojen entegrasyona yönelik "genişletilmiş Moore" programı ortaya çıktı. İki programın tamamlanmasıyla birlikte "Moore'un Ötesinde"yi başaracağız.

Chiplet: Maliyetleri düşürmek ve verimi artırmak için bir kurtarıcı

Tek bir çipe daha fazla özelliğin eklenmesi ile Moore Yasası devam etse bile çip alanı hala artıyor.Farklı işlevlere sahip tüm tasarım blokları için aynı işlem düğümünü kullanmak bir ofset seçimi haline geldi.Neyse ki Chiplet artık bir kurtarıcı. Ortaya çıktı. Büyük bir kalıbı daha küçük yongalara bölmek ve her yonga için en uygun üretim sürecini kullanmak, üretim maliyetlerini düşürürken tüm yonganın verimini önemli ölçüde artırabilir. Örneğin, bazı özel arayüz IP'leri, gelişmiş üretim süreçlerinin kullanılması nedeniyle alan veya performans açısından optimize edilmeyecektir.Bu IP'ler için olgun üretim süreçleri ve özel özel üretim süreçleri kullanmak, daha düşük maliyetler ve daha iyi performans sağlayabilir.
2
Chiplet Çözümü / Samsung

Başka bir uygun çözüm, aynı bileşen yongasını yeniden kullanmak olan modüler tasarım ve üretimdir. Birçok IP modülü chiplet olarak yeniden kullanılabilir.Yalnızca çipin diğer kısımlarının yeniden tasarlanıp üretilmesi gerekir.Bu, tasarım, geliştirme ve üretim maliyetlerini önemli ölçüde azaltır ve çip üreticileri, ürün yinelemelerini daha hızlı elde etmek için bunu kullanabilir.

X-Cube: Dikey 3B entegrasyon

Heterojen entegrasyon, yalnızca maliyet ve verimle ilgili hususlar için değil, aynı zamanda talaş performansını daha da iyileştirebilir. Geleneksel 2D tasarımlarda, sinyal yolu birkaç milimetre uzunluğundadır. 3D entegrasyon altında, çiplerin istiflenmesi, sinyal yolunu birkaç mikrona indirerek çip gecikmesini büyük ölçüde iyileştirebilir. Ayrıca, 3B entegrasyondaki daha iyi satır içi boşluk, daha yüksek bant genişliği elde edebilir ve çip performansını daha da iyileştirebilir.

Samsung, daha 2014 yılında, Samsung'un Widcon teknolojisi olan geniş IO belleği ve mobil uygulama işlemcisinin 3D yığınını gerçekleştirmiştir. Ardından, 3D çip yığınlama teknolojisi gelişmeye devam etti ve bir dizi HBM bellek ürünü doğdu. HBM, DRAM ve mantığın istiflenmesi ve mikro tümsekler ile TSV'lerin bağlanmasıyla oluşturulur. Tam olarak 3D yığınlama teknolojisi sayesinde Samsung, görüntü sensörleri, mantık ve DRAM'den oluşan üç katmanlı bir CMOS görüntü sensörü geliştirebildi.

2020'de Samsung, TSV'ye mikro darbelerle bağlanan tek bir 3D çip oluşturmak için iki mantık birimi kalıbının dikey olarak istiflenmesine izin veren X-Cube teknolojisini tanıttı. X-Cube iki forma ayrılmıştır, iki kalıp mikro darbelerle veya doğrudan bakır bağlama ile bağlanır.
3
X-Cube yol haritası / Samsung

İlk nesil X-Cube teknolojisi (u-Bump) esas olarak mikro çarpma bağlantısına dayanır.Samsung, F2B yapısını kullanarak 7nm mantık işlemi için TSV PDK'yı piyasaya sürdü, çarpma aralığı 40um. 4/5nm için TSV PDK da F2F yapısı kullanılarak piyasaya sürüldü ve çarpma aralığı 25um'a düşürüldü. Halen geliştirilmekte olan ikinci nesil X-Cube teknolojisi (Bump-less), doğrudan bakır bağlama teknolojisini kullanır ve perde 4um'a düşürülür.

Intel'in Foveros3D yığınlama teknolojisi rotasının kabaca Samsung X-Cube ile aynı olduğunu belirtmekte fayda var. Birinci nesil Foveros'un çarpma aralığı 36um ile 50um arasındadır ve yeni nesil FoverosOmni teknolojisi de 25um'luk bir çarpma aralığına ulaşabilir. Halen geliştirilmekte olan Foveros Direct, aynı zamanda, tümsek aralığının 10um'un altına düştüğünü iddia ederek, doğrudan bakır bağlama kullanıyor.

Geçmişteki X-Cube mimarisinde, alt kalıbın alanı üst kalıbınkinden daha büyüktü.Ancak, müşterilerin çip bölme ve ısı dağılımı için farklı gereksinimlerini daha iyi karşılamak için Samsung ayrıca, üst kalıp gelecekte alt kalıptan daha büyüktür. . Şu anda Samsung, 3D yığılmış SRAM'ın doğrulamasını tamamladı.7nm işlemi altında, 48.6GB/sn bant genişliğine, 7.2ns okuma gecikmesine ve 2.6ns yazma gecikmesine ulaşabilir.

Ayrıca Samsung, farklı bir teknoloji olan ISC'yi (Entegre Yığılmış Kapasitör) de sağlar. Bu kapasitör, Samsung DRAM ürünlerinde doğrulanmış olan silikon kapasitör yapısını, malzemesini ve sürecini uygular ve güç bütünlüğünü etkin bir şekilde geliştirebilen 1100nF/mm2 kapasitans yoğunluğuna sahiptir. Samsung'un ISC'si ayrıca müşterilerin farklı yapısal ihtiyaçlarını karşılamak için ayrık tip, silikon aracı tipi ve çoklu gofret yığını tipi gibi çeşitli farklı konfigürasyonlar sunar.ISC'nin 2022'de seri üretim aşamasına girmesi bekleniyor.

I-Cube: Yatay 2.5D kombinasyonu

Öte yandan, yongaları yatay olarak birleştirmek için Samsung, mantık hücrelerini ve birden fazla HBM'yi aynı silikon aracı üzerinde entegre eden 2.5D teknolojisi I-Cube'u geliştirdi. Şu anda Samsung, bir mantık kalıbı + iki HBM I-Cube2'nin seri üretimini başarıyla gerçekleştirmiştir ve bitmiş ürünlerden biri de Baidu'nun Kunlun AI çipidir. Baidu'nun Kunlun AI çipi sadece Samsung'un 14nm sürecini değil, aynı zamanda Samsung'un I-CUBE 2 teknolojisini de kullanıyor.

I-Cube, verimi artırmak için paketlemenin ara aşamasında operasyonel testler yapmak için ön eleme teknolojisini kullanır. Teknoloji ayrıca daha iyi ısı dağılımı performansı elde etmek için kapsüllenmemiş bir yapı kullanır.Samsung'a göre, I-Cube'un ısı dağıtma verimliliği, geleneksel 2.5D çözümünden %4,5 daha yüksektir. Ayrıca diğer dökümhanelerle karşılaştırıldığında Samsung'un I-Cube teknolojisinin bazı avantajları vardır, örneğin Samsung Memory ile işbirliği yapar ve en yeni bellek çözümlerini ilk kullanandır.

4
I-Cube4 şeması / Samsung
Samsung şu anda 4HBM3 modülleri ile entegre I-Cube4'ün seri üretimini planlıyor ve 6 adet HBM I-Cube6 da seri üretime hazır.İlkinin 2022'de seri üretime girmesi bekleniyor. Samsung, iki lojik kalıp + 8 HBM'li bir I-Cube8 çözümü bile hazırladı.Hala geliştirme aşamasında ve 2022'nin sonunda resmi olarak piyasaya sürülmesi bekleniyor.
5
2D'den 3.5D'ye paketleme çözümleri / Samsung

2D, 2.5D ve 3D IC teknolojisine ek olarak, Samsung ayrıca yeni bir 3.5D paketleme teknolojisi geliştiriyor.Bu paket içindeki sistem ayrıca daha yüksek performans ve yoğunluk elde etmek için yığılmış özel DRAM veya SRAM kalıbı ekleyecektir.

Özet

2.5D/3D entegre çoklu çip veya çip üzerinde çoklu çip sistemi geliştirirken, tasarımcılar genellikle ek arabirim IP'si veya potansiyel güç tüketimi artışı gibi geleneksel tek çipli tasarımda nadir görülen teknik engellerle karşılaşırlar. Şu anda, IDM 2.0'a yeni giren Samsung, TSMC ve Intel, tasarımcıların bu zorlukların üstesinden gelmesine yardımcı olacak heterojen tasarım yöntemleri ve araçları da sağlayacak. Genel heterojen entegrasyon eğilimi altında, dökümhaneler ayrıca paketleme, test ve tek noktadan tasarım hizmetleri ekleyerek daha fazla hizmet modeli sunacak.