मामले में सिस्टम या वास्तव में माइक्रोप्रोसेसर की आड़ में क्या है

आधुनिक माइक्रोक्रिस्केट्स में ट्रांजिस्टर के आकार बहुत कम हो रहे हैं - इस तथ्य के बावजूद कि वे कई वर्षों से मूर के कानून की मृत्यु के बारे में बात कर रहे हैं, और लघुकरण की भौतिक सीमा पहले से ही करीब है (अधिक सटीक रूप से, यह पहले से ही कुछ स्थानों में सफलतापूर्वक परिधि में है)। हालांकि, यह कमी व्यर्थ नहीं है, और उपयोगकर्ता ऐपेटाइट्स चिप डेवलपर्स की क्षमताओं की तुलना में तेजी से बढ़ रहे हैं। इसलिए, ट्रांजिस्टर के लघुकरण के अलावा, अन्य, अक्सर आधुनिक माइक्रोएलेरोनिक उत्पादों को बनाने के लिए कम उन्नत तकनीकों का उपयोग नहीं किया जाता है।



अपने अंतिम वाक्य में, मैंने जानबूझकर "माइक्रोइलेक्ट्रिक उत्पाद" शब्द का उपयोग "माइक्रोक्रिकिट" शब्द के बजाय किया था, क्योंकि यह लेख इस तथ्य पर ध्यान केंद्रित करेगा कि सीपीयू या जीपीयू मामले के अंदर सिर्फ एक क्रिस्टल नहीं हो सकता है, लेकिन कई चिप्स की एक पूरी प्रणाली है, इसलिए और कहा जाता है: एक पैकेज में एक प्रणाली या पैकेज में प्रणाली।

शब्द "सिस्टम इन ए केस" बहुत संबंधित शब्द "सिस्टम ऑन ए चिप" से बहुत कम जाना जाता है, जिसे डेवलपर्स किसी भी चीज़ के साथ ट्रम्प करना पसंद करते हैं। इसके अलावा, अब लगभग किसी भी चिप (सरलतम को छोड़कर) किसी तरह एक चिप पर एक प्रणाली है, और माइक्रोप्रोसेसर के समय और यहां तक ​​कि दक्षिण और उत्तर पुलों के व्यक्तिगत चिप्स अतीत की बात है। एक चिप पर सिस्टम के फायदे काफी स्पष्ट हैं: बोर्ड पर कम मामले, कम क्षेत्र (और इसलिए सस्ता), कम आवक प्रेरण और क्षमता (जिसका अर्थ है कि उत्पाद बेहतर और तेज काम करेगा), उपयोगकर्ता के लिए आसान (लागू करने के लिए अधिक सुविधाजनक और त्रुटि के लिए कम जगह), उत्पादन में सस्ता (कई विशेष माइक्रोकिरिट्स के बजाय, एक और अधिक सार्वभौमिक उत्पादन किया जा सकता है)।

लेकिन एक चिप पर सिस्टम के भी नुकसान होते हैं।

सबसे पहले, जब आप एक बार में सब कुछ एक क्रिस्टल पर धकेलने की कोशिश करते हैं, तो आप इस तरह के आकार की एक चिप (और इतने सारे पैरों के साथ) प्राप्त करने का जोखिम चलाते हैं कि यह किसी भी मामले में फिट नहीं होगा। इसके अलावा (जैसा कि एक पेशेवर टेक्नोलॉजिस्ट टिप्पणियों में सुझाता है), बहुत बड़े चिप जोखिम फोटोलिथोग्राफिक स्कैनर के क्षेत्र के आकार में नहीं होते हैं। आप इस सीमा के आसपास हो सकते हैं, लेकिन यह तकनीकी रूप से बहुत मुश्किल है और, तदनुसार, बहुत महंगा है।

दूसरे, चिप का आकार जितना बड़ा होगा, उपज का प्रतिशत कम होगा, खासकर अगर उत्पादन के लिए आपको एक फोटो मास्क पर कई खिड़कियां एक साथ सिलाई करने की आवश्यकता होती है। और यह, निश्चित रूप से, लागत को भी प्रभावित करता है।

तीसरा, यदि आपके सिस्टम में विषम घटक होते हैं, तो उन सभी को एक चिप पर संयोजित करना बहुत मुश्किल, बहुत महंगा या सिस्टम की गुणवत्ता के लिए बहुत बुरा हो सकता है। उदाहरण के लिए, DRAM को विशेष कैपेसिटर की आवश्यकता होती है, उन्हें कारखाने में जोड़ने के लिए "सामान्य" निर्माण प्रक्रिया अनुचित रूप से महंगी हो सकती है (जो इस वजह से ग्राहकों के लिए कीमतें बढ़ाने के लिए मजबूर होगी)। सिलिकॉन पर रेडियो आवृत्ति या बिजली के घटकों में A3B5 सामग्री (गैलियम आर्सेनाइड और इसके एनालॉग्स) की तुलना में काफी खराब पैरामीटर हो सकते हैं, और एक ही क्रिस्टल पर डिजिटल और एनालॉग भागों का कनेक्शन एक शोर समस्या पैदा करता है।

ऊपर वर्णित सभी कारकों के संयोजन ने इस तथ्य को जन्म दिया है कि "सभी जगह-सभी एक क्रिस्टल पर" प्रवृत्ति को एक अधिक संतुलित दृष्टिकोण से बदल दिया गया है, साथ ही एक मामले में क्रिस्टल पैकिंग के लिए प्रौद्योगिकियों का तेजी से विकास किया गया है।

प्रदर्शन और उपज

पहला उदाहरण जो मन में आता है, निश्चित रूप से, एएमडी माइक्रोप्रोसेसरों (केडीपीवी देखें)। मल्टी-कोर उत्पादों के मामले में सिस्टम को कंपनी के हालिया उदय के लिए महत्वपूर्ण कारणों में से एक माना जाता है, जो बड़ी चिप्स पर कम उपज के कारण एक नई तकनीकी प्रक्रिया के लॉन्च के साथ इंटेल की समस्याओं की पृष्ठभूमि के खिलाफ हो रहा है।



आंकड़ा 28-कोर इंटेल Xeon चिप दिखाता है। इन प्रोसेसर का आकार पागल 456 वर्ग मिलीमीटर तक पहुंच जाता है, जबकि एएमडी चिप्स का अधिकतम आकार आठ-कोर चिप के लिए लगभग 200 वर्ग मिलीमीटर होता है, और अधिक कोर वाले उत्पादों को प्रोसेसर के मामले में स्थित दो-परत मुद्रित सर्किट पर कई समान क्रिस्टल से इकट्ठा किया जाता है।



इस आंकड़े में, आप EPYC और थ्रेड्रीपर प्रोसेसर (उर्फ KDPV) के मामले के अंदर बोर्ड का डिज़ाइन देख सकते हैं। चार आठ-कोर क्रिस्टल एक दो-परत बोर्ड पर स्थित हैं। थ्रेड्रीपर के मामले में, विकलांग कोर के आधे हिस्से के साथ। क्रिस्टल को इतनी अतार्किक रूप से क्यों इस्तेमाल किया जाता है?

सबसे पहले, एक प्रकार के क्रिस्टल का उत्पादन कई अलग-अलग लोगों की तुलना में सस्ता हो सकता है।
दूसरे, यही बात बाकी हार्नेस पर भी लागू होती है - अनावश्यक को निष्क्रिय करना कई अलग-अलग मॉडलों के विकास और उत्पादन की तुलना में सस्ता और अधिक तकनीकी हो सकता है।
तीसरा, 200 मिलीमीटर की चिप के लिए उपयुक्त उपज का प्रतिशत, सबसे अधिक संभावना है, यह भी आदर्श नहीं है, और अंतिम उत्पाद का ऐसा डिज़ाइन क्रिस्टल के उपयोग की अनुमति देता है जिसमें सभी कोर काम नहीं करते हैं। इंटेल ठीक यही काम करता है, लेकिन बड़े क्रिस्टल के कारण उनकी उत्पादन समस्याएं बहुत मजबूत होती हैं।



और यहाँ एक और भी दिलचस्प उदाहरण है, एएमडी से भी। एएमडी फिजी एक जीपीयू है जिसमें चेसिस में बनी हाई-स्पीड मेमोरी है। यह महत्वपूर्ण क्यों है? क्योंकि प्रोसेसर से मेमोरी तक बहुत कम लाइनें उच्च गति प्राप्त करना संभव बनाती हैं, और इसलिए अधिक प्रदर्शन। पिछले उदाहरण के विपरीत, मामले के अंदर के क्रिस्टल अलग हैं। इसके अलावा, उनमें से पांच नहीं हैं, क्योंकि यह पहली नज़र में लग सकता है, लेकिन बहुत अधिक - बाईस। यहाँ संरचना का एक भाग है:



शीर्ष परत स्वयं GPU चिप और कई (इस मामले में, चार) के "शेल्फ" TSV (थ्रू-सिलिकॉन-थ्रू) का उपयोग करके जुड़े हुए हैं - प्रवाहकीय स्तंभ जो पूरी मोटाई में क्रिस्टल के माध्यम से जाते हैं।



TSV कुछ इस तरह दिखते हैं, योजनाबद्ध और वास्तविक पैमाने पर।

TSV तकनीक, जो मूल रूप से मेमोरी के सरणियों के लिए दिखाई देती है (आखिरकार, बहुत अधिक मेमोरी, राइट कभी नहीं है?), अब GPU और मेमोरी के नीचे स्थित अगली चिप के लिए धन्यवाद सहित, अधिक से अधिक व्यापक होता जा रहा है।

सिलिकॉन इंटरपोज़र एक बहुपरत मुद्रित सर्किट बोर्ड से बना होता है जो सिलिकॉन क्रिस्टल से बना होता है और शीर्ष और मामले में चिप्स को जोड़ने के लिए धातुरूप और टीएसवी की कई परतों से युक्त होता है। सिलिकॉन का उपयोग मुद्रित सर्किट बोर्ड की तुलना में तत्वों (माइक्रोन की इकाइयों) के छोटे आकार को प्राप्त करने की अनुमति देता है, लेकिन एक ही समय में डिजाइन मानक पर्याप्त हो सकते हैं ताकि इस कनेक्टिंग चिप की उच्च उपज और एक सस्ती कीमत हो। तत्वों के छोटे आयामों का अर्थ है कि कनेक्शन के परजीवी मापदंडों का कम प्रभाव, और पहले से ही उल्लेख किए गए TSV मुद्रित सर्किट बोर्ड पर विअस की तुलना में बहुत अधिक कॉम्पैक्ट हैं और मामले में इंटरपॉसर के माध्यम से सैकड़ों या हजारों संपर्कों को ले जाने की अनुमति देते हैं। एमईएमएस के साथ, इस तरह के इंटरकनेक्ट चिप्स व्यास में 100-150 मिलीमीटर के वेफर्स के साथ पुराने कारखानों के लिए एक महत्वपूर्ण नया बाजार हैं।

3 डी एकीकरण का एक और अग्रणी Xilinx है। तकनीकी रूप से, इसके FPGAs AMD उत्पादों (विशेष रूप से एकीकृत मेमोरी वाले) के करीब हैं, और उद्देश्य भी समान हैं: FPGAs एक बाजार में जगह हैं जहां एक नई निर्माण प्रक्रिया के लिए प्रारंभिक संक्रमण प्रतियोगियों पर एक गंभीर लाभ दे सकता है। विभिन्न अनुमानों के अनुसार, प्रौद्योगिकी के जीवन में एक प्रारंभिक चरण में, क्रिस्टल के आकार को तीन से चार गुना तक कम करने से उपज में दो से तीन गुना वृद्धि हो सकती है, जो कि दसियों प्रतिशत से आधे से अधिक हो सकती है। इसके अलावा, FPGAs एक नियमित संरचना है जिस पर तकनीकी दोषों को ट्रैक करना सुविधाजनक है। इसलिए, FPGA निर्माता नई विनिर्माण प्रक्रियाओं के लिए विशिष्ट "पहले ग्राहक" हैं, और Xilinx, इस तथ्य के कारण है कि उनके उत्पादों में एक पूर्ण आकार के बजाय कई छोटे क्रिस्टल होते हैं, प्रतियोगियों की तुलना में कई महीने तेजी से नए मॉडल लॉन्च कर सकते हैं।



यहाँ Xilinx FPGA के इनसाइड का एक क्रॉस-सेक्शन है। ऊपरी चिप वास्तव में बहुत छोटे (40-45 माइक्रोन) संपर्कों के साथ FPGA का एक हिस्सा है, जो कई चिप्स को एक साथ जोड़ने वाले इंटरपोज़र से संपर्क करता है, और सबसे नीचे मामले का आधार होता है, जिसकी अपनी धातु की एक दर्जन परतें होती हैं।



तुलना के लिए - एक विशाल क्रिस्टल पर FPGA Altera। पाँच सौ साठ वर्ग मिलीमीटर, कार्ल! यदि अचानक इस पोस्ट को माइक्रोएलेक्ट्रोनिक उत्पादन प्रौद्योगिकीविदों द्वारा पढ़ा जाता है, तो सुनिश्चित करें कि उन्हें दिल का दौरा नहीं है।

हालाँकि, Intel / Altera, निश्चित रूप से, प्रतियोगियों की सफलता को देखते हुए नहीं बैठता है। संलग्न प्रणालियों में उनका नवीनतम विकास एंबेडेड मल्टी-चिप इंटरकनेक्ट ब्रिज (EMIB) है। इंटेल स्ट्रैटिक्स 10 एफपीजीए का उपयोग करके इसे देखना सुविधाजनक है।



जैसा कि आप देख सकते हैं, EMIB इंटरकनेक्सेस (एक!) FPGA चिप, मेमोरी (और यहां बहु-मंजिला संरचनाएं) और परिधीय क्रिस्टल हैं। तो यह EMIB क्या है? थोड़ा अधिक मैंने सिलिकॉन इंटरपोज़र के बारे में लिखा था कि एक कठिन तकनीकी प्रक्रिया के कारण पतली तकनीक का उपयोग करके बनाई गई समान आकार की चिप की तुलना में इसकी कीमत बहुत कम है। फिर भी, इंटरपोज़र बहुत बड़ा है। क्या इसे छोटा करना संभव है?



इंटेल का जवाब है हां। ईएमआईबी का विचार एक बड़े इंटरपोज़र के बजाय कई छोटे लोगों का उपयोग करना है और बदले में, उन्हें सीधे शरीर सब्सट्रेट में एकीकृत करना है।



यहाँ सिलिकॉन इंटरपोज़र्स का उपयोग करके बनाए गए उत्पादों का एक छोटा चयन है माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक मानकों द्वारा उनके कोलोसमल आयामों पर ध्यान दें और इस तथ्य पर कि, जैसा कि हमने ऊपर चर्चा की थी, Xilinx के लड़ाकू चिप्स को कई छोटे टुकड़ों में विभाजित किया गया है।

सिर्फ प्रदर्शन से ज्यादा।

नीचे दिया गया आंकड़ा एक एनालॉग डिवाइस एडीसी आवास और सर्किट आरेख के अंदर दिखाता है। यह एडीसी के लिए पूरी तरह से साधारण मुद्रित सर्किट बोर्ड जैसा दिखता है, केवल छोटा, सही? यह सही है, यह केवल है, केवल खुले-फ्रेम घटकों के उपयोग के कारण, नकली तत्वों से जुड़ी त्रुटियों को कम कर दिया गया है, और यह तथ्य कि बोर्ड को एनालॉग डिवाइसेस में विकसित किया गया है, उन्हें बहुत से ग्राहक समय बचाने की अनुमति देता है और साथ ही यह सुनिश्चित करें कि उपयोगकर्ता गलत लोगों को चुनने में गड़बड़ न करें घटक या खराब वायर्ड बोर्ड।





हालांकि, ऊपर की आकृति में थोड़ी सी चाल है: दो मंजिलों पर रखे क्रिस्टल देखें? ऊपरी क्रिस्टल ADC के सक्रिय घटकों के साथ एक चिप है और (जाहिरा तौर पर) एक दोहरी परिचालन एम्पलीफायर है, और निचला क्रिस्टल निष्क्रिय घटक (कैपेसिटर और प्रतिरोधक) है। एक अलग क्रिस्टल पर निष्पादन आपको मुख्य क्रिस्टल के बिना (और इसलिए लागत में वृद्धि) के बिना उन्हें आकार में बहुत बड़ा बनाने (और इसलिए त्रुटियों को कम करने) की अनुमति देता है।

सभी एक ही चिप पर किया जा सकता है (जो, वास्तव में, असामान्य नहीं है, विशेष रूप से माइक्रोकंट्रोलर में निर्मित एडीसी के लिए), लेकिन ऐसी चिप बहुत बड़ी होगी (जिसका अर्थ है, जैसा कि हमें पता चला है, प्रयोग करने योग्य प्रतिशत घटने का खतरा है), और उसके लिए प्रौद्योगिकी को सभी आवश्यक अतिरिक्त विकल्पों का समर्थन करना होगा। इसके अलावा, एक ही क्रिस्टल पर विभिन्न ब्लॉकों के संयोजन से यह सुनिश्चित करने की आवश्यकता होगी कि वे एक-दूसरे को प्रभावित नहीं करते हैं (उदाहरण के लिए, किसी तरह क्रिस्टल सब्सट्रेट पर शोर से छुटकारा पाएं)।

अतिरिक्त आवास सुविधाएँ

जैसा कि हम पहले ही पता लगा चुके हैं, एक आवास में असमान तत्वों (निष्क्रिय एसएमडी घटकों सहित) को पैक करने से आप अंतिम उत्पाद के आयामों को काफी कम कर सकते हैं और यहां तक ​​कि इसकी गति भी बढ़ा सकते हैं। लेकिन क्या होगा यदि हम डिवाइस के कार्यात्मक तत्व के रूप में मामले का उपयोग करते हैं?

2013 में, इंटेल प्रोसेसर (हैसवेल माइक्रोआर्किटेक्चर) ने एक एकीकृत वोल्टेज नियामक (FIVR) लागू किया था, जिसमें प्रोसेसर चिप पर नियामक का सक्रिय भाग लागू किया गया था, और निष्क्रिय भाग (कैपेसिटर और इंडोर्स) को मामले में एकीकृत किया गया था।



इंटीग्रल इंडक्शन सभी चिप डेवलपर्स के लिए सिरदर्द है, क्योंकि चिप पर कॉइल न केवल सबसे अच्छे मापदंडों के साथ प्राप्त किए जाते हैं, बल्कि विशाल भी होते हैं (जिसका अर्थ है कि वे बहुत महंगे हैं, खासकर पतली प्रौद्योगिकियों के साथ)। और यह कोर के बिना सिग्नल कॉइल के बारे में है, इसमें किसी भी पावर ट्रांसमिशन की कोई बात नहीं है। इंटेल ने माइक्रोप्रोसेसर हाउसिंग में 160 मेगाहर्ट्ज की आवृत्ति पर चलने वाले दर्जनों समानांतर छोटे कॉइल को एकीकृत करके सफलतापूर्वक इस समस्या को दरकिनार कर दिया। इसलिए वे माइक्रोप्रोसेसर की बिजली की आवश्यकताओं को सरल बनाने में सक्षम थे।

हालाँकि, इस विकास के साथ कुछ गलत हो गया, और अगली पीढ़ी के हसवेल प्रोसेसर में इंटेल FIVR प्रोसेसर नहीं थे। तब से, अफवाहें हैं कि वे FIVR में लौट आएंगे, लेकिन अभी तक वे अफवाहें बने हुए हैं।

हालांकि, इंटेल के बिना भी, मामले में निष्क्रिय घटकों के एकीकरण की दिशा सक्रिय रूप से विकसित हो रही है, उदाहरण के लिए, LTCC (कम तापमान वाले सिरेमिक) प्रकार के मामलों में। वहां, निश्चित रूप से, सीमाएं और नुकसान हैं (जुड़े हुए हैं, उदाहरण के लिए, रेटिंग की सटीकता के साथ), लेकिन यह तकनीक मांग में है और सक्रिय रूप से विकसित हो रही है। स्तरित LTCC मामला कुछ इस तरह है:



आंकड़ा बहुपरत सिरेमिक में बने सभी प्रकार के निष्क्रिय तत्वों को दिखाता है, और यहां तक ​​कि एक धातु हीट सिंक (यह एक शक्तिशाली माइक्रोवेव सर्किट के लिए मामला है)। वास्तव में, यह सिरेमिक मुद्रित सर्किट बोर्ड के साथ मामले का मिश्रण है। इस तरह के टुकड़े आरएफ मॉड्यूल के लिए बहुत लोकप्रिय हैं, और वे छोटे पैमाने पर उत्पादन में भी अपेक्षाकृत सस्ते हैं।

और क्या?

मामले में सिस्टम के लिए बहुत सारे संभावित अनुप्रयोग हैं, और उन सभी को सूचीबद्ध करना लगभग असंभव है; इसके अलावा, कुछ नया लगातार दिखाई दे रहा है, इस तथ्य के कारण कि ये प्रौद्योगिकियां 10-7-5-3-नैनोमीटर ट्रांजिस्टर की तुलना में बहुत अधिक सस्ती हैं।

नए अनुप्रयोगों और गुणों का एक अच्छा उदाहरण है कि एक पैकेज में विषम चिप्स का एकीकरण ऑप्टिकल सिस्टम की एक किस्म है जहां SiP आपको एक रिसीवर या एमिटर (आमतौर पर सिलिकॉन पर नहीं बनाया गया) और उनकी शक्ति और नियंत्रण प्रणाली को इकट्ठा करने की अनुमति देता है। नीचे दिए गए चित्रण में - बेल्जियम के अनुसंधान संस्थान IMEC में इकट्ठे हुए 400 जीबी / एस (और टेराबाइट से पहले वादा) पर एक प्रोटोटाइप ऑप्टिकल लिंक।



इसके अलावा, मामले में सिस्टम के लिए इस तरह के आशाजनक अनुप्रयोग तरल शीतलन के लिए अंतर्निहित केशिकाओं के साथ इंटरपोजर्स के रूप में विचार करते हैं (न केवल गेम प्रोसेसर, बल्कि पावर कीज़, और लेजर), मामले में एकीकृत एमईएमएस इकाइयों, और भी बहुत कुछ मूर के नियम के संकीर्ण ढांचे के भीतर नहीं। इसके अलावा, चीजों के सर्वव्यापी इंटरनेट को इस मामले में प्रणालियों के लिए एक महत्वपूर्ण बाजार माना जाता है, जहां छोटे आकार, स्थानिक तत्वों पर नुकसान (मुख्य रूप से ऊर्जा, समय नहीं) और निष्क्रिय घटकों को एकीकृत करने की क्षमता, उदाहरण के लिए, रेडियो पथ के कुछ हिस्सों, माइक्रोक्रिकिट में महत्वपूर्ण हैं।