Ukuran transistor dalam sirkuit mikro modern semakin menurun - meskipun fakta bahwa mereka telah berbicara tentang kematian hukum Moore selama beberapa tahun, dan batas fisik miniaturisasi sudah dekat (lebih tepatnya, telah berhasil dielakkan di beberapa tempat). Namun, penurunan ini tidak sia-sia, dan selera pengguna tumbuh lebih cepat dari kemampuan pengembang chip. Oleh karena itu, selain miniaturisasi transistor, yang lain, seringkali teknologi yang tidak kalah canggih digunakan untuk menciptakan produk mikroelektronik modern.
Dalam kalimat terakhir saya, saya sengaja menggunakan frasa “produk mikroelektronika” alih-alih kata “sirkuit mikro,” karena artikel ini akan fokus pada kenyataan bahwa di dalam casing CPU atau GPU mungkin tidak hanya ada satu kristal, tetapi seluruh sistem dari beberapa chip, jadi dan disebut: sistem dalam paket atau sistem dalam paket.
Istilah "system in a case" jauh lebih sedikit dikenal daripada istilah "system on a chip" yang terkait, yang disukai pengembang untuk apa pun. Terlebih lagi, sekarang hampir semua chip (kecuali yang paling sederhana) adalah suatu sistem pada chip, dan waktu set mikroprosesor dan bahkan chip individu dari jembatan selatan dan utara adalah sesuatu dari masa lalu. Kelebihan sistem pada sebuah chip cukup jelas: lebih sedikit casing di papan, lebih sedikit area (dan karenanya lebih murah), lebih sedikit induktansi dan kapasitas yang menyimpang (yang berarti produk akan bekerja lebih baik dan lebih cepat), lebih mudah bagi pengguna (lebih mudah diterapkan dan lebih sedikit ruang untuk kesalahan), lebih murah dalam produksi (daripada beberapa sirkuit mikro khusus, satu lagi yang universal dapat diproduksi).
Tetapi sistem pada sebuah chip juga memiliki jebakan mereka.
Pertama, ketika Anda mencoba untuk mendorong semuanya menjadi satu kristal sekaligus, Anda berisiko mendapatkan kepingan sebesar itu (dan dengan begitu banyak kaki) yang tidak akan masuk ke dalam casing apa pun. Selain itu (seperti yang disarankan oleh ahli teknologi profesional dalam komentar), risiko chip yang sangat besar tidak masuk ke ukuran bidang pemindai photolithographic. Anda dapat mengatasi batasan ini, tetapi sangat sulit secara teknis dan, karenanya, sangat mahal.
Kedua, semakin besar ukuran chip, semakin rendah persentase hasil, terutama jika untuk produksi Anda perlu menjahit beberapa jendela pada masker foto. Dan ini, tentu saja, juga mempengaruhi biaya.
Ketiga, jika sistem Anda terdiri dari komponen heterogen, maka menggabungkan semuanya dalam satu chip bisa terlalu sulit, terlalu mahal atau terlalu buruk untuk kualitas sistem. Misalnya, DRAM memerlukan kapasitor khusus, menambahkannya ke proses manufaktur "normal" bisa jadi sangat mahal untuk pabrik (yang karena ini akan dipaksa untuk menaikkan harga bagi pelanggan). Frekuensi radio atau komponen daya pada silikon dapat memiliki parameter yang secara signifikan lebih buruk daripada pada bahan A3B5 (gallium arsenide dan analognya), dan hubungan komponen digital dan analog pada kristal yang sama menciptakan masalah kebisingan.
Kombinasi dari semua faktor yang disebutkan di atas telah mengarah pada fakta bahwa tren "menempatkan semuanya pada satu kristal" telah digantikan oleh pendekatan yang lebih seimbang, serta perkembangan pesat teknologi untuk pengemasan kristal dalam sebuah case.
Performa dan hasil
Contoh pertama yang muncul dalam pikiran adalah, tentu saja, mikroprosesor AMD (lihat KDPV). Sistem dalam kasus untuk produk multi-inti dianggap sebagai salah satu alasan penting untuk kebangkitan perusahaan baru-baru ini, yang terjadi dengan latar belakang masalah Intel dengan peluncuran proses teknis baru karena rendahnya hasil pada chip besar.
Angka tersebut menunjukkan chip Intel Xeon 28-inti. Ukuran prosesor ini mencapai 456 milimeter persegi, sementara ukuran maksimum chip AMD adalah sekitar 200 milimeter persegi untuk chip delapan-inti, dan produk-produk dengan lebih banyak core dirakit dari beberapa kristal yang identik pada papan sirkuit cetak dua-lapis yang terletak pada case prosesor.
Pada gambar ini, Anda dapat melihat desain papan di dalam case EPYC dan prosesor Threadripper (alias KDPV). Empat kristal delapan inti terletak di papan dua lapis. Dalam kasus Threadripper, dengan setengah dari inti yang dinonaktifkan. Mengapa kristal begitu tidak rasional digunakan?
Pertama, memproduksi satu jenis kristal bisa lebih murah daripada yang berbeda.
Kedua, hal yang sama berlaku untuk sisa harness - menonaktifkan yang tidak perlu bisa lebih murah dan lebih teknologi daripada mengembangkan dan memproduksi beberapa model yang berbeda.
Ketiga, persentase hasil yang cocok untuk chip 200 milimeter, kemungkinan besar, juga tidak ideal, dan desain produk akhir seperti itu memungkinkan penggunaan kristal di mana tidak semua core bekerja. Intel melakukan hal yang sama persis, tetapi masalah output mereka jauh lebih kuat karena kristal yang lebih besar.
Dan inilah contoh yang lebih menarik, juga dari AMD. AMD Fiji adalah GPU dengan memori berkecepatan tinggi terpasang yang terletak tepat di sasis. Mengapa ini penting? Karena garis yang jauh lebih pendek dari prosesor ke memori memungkinkan untuk mencapai kecepatan tinggi, dan karenanya kinerja yang lebih besar. Berbeda dengan contoh sebelumnya, kristal di dalam kasing berbeda. Selain itu, tidak ada lima dari mereka, karena mungkin tampak pada pandangan pertama, tetapi lebih - dua puluh dua. Berikut adalah bagian dari struktur:
Lapisan atas adalah chip GPU itu sendiri dan "rak" dari beberapa (dalam hal ini, empat) chip memori yang terhubung menggunakan TSV (through-silicon-via) - kolom konduktif yang menembus kristal hingga seluruh ketebalan.
TSV terlihat seperti ini, secara skematis dan dalam skala nyata.
Teknologi TSV, yang awalnya muncul hanya untuk array memori (toh, tidak pernah ada terlalu banyak memori, kan?), Sekarang menjadi semakin dan semakin luas, termasuk berkat chip berikutnya yang terletak di bawah GPU dan memori.
Silicon Interposer adalah pengganti papan sirkuit tercetak multilayer yang terbuat dari kristal silikon dan mengandung beberapa lapisan metalisasi dan TSV untuk menghubungkan chip di bagian atas dan kasing. Penggunaan silikon memungkinkan untuk memperoleh ukuran elemen yang jauh lebih kecil (unit mikron) daripada papan sirkuit cetak, tetapi pada saat yang sama standar desain bisa cukup kasar sehingga chip penghubung ini memiliki hasil tinggi dan harga yang terjangkau. Dimensi elemen yang lebih kecil berarti lebih sedikit pengaruh parameter palsu dari koneksi, dan TSV yang telah disebutkan jauh lebih kompak daripada vias pada papan sirkuit tercetak dan memungkinkan ratusan atau bahkan ribuan kontak dapat ditarik melalui interposer ke case. Seiring dengan MEMS, chip antarkoneksi tersebut merupakan pasar baru yang penting untuk pabrik-pabrik yang sudah ketinggalan zaman dengan wafer berdiameter 100-150 milimeter.
Pelopor integrasi 3D lainnya adalah Xilinx. Secara teknologi, FPGA-nya dekat dengan produk AMD (terutama yang dengan memori terintegrasi), dan motifnya juga serupa: FPGA adalah ceruk pasar di mana transisi awal ke proses manufaktur baru dapat memberikan keuntungan serius dibandingkan pesaing. Menurut berbagai perkiraan, pada tahap awal dalam kehidupan suatu teknologi, mengurangi ukuran kristal tiga hingga empat kali dapat meningkatkan hasil dua hingga tiga kali, dari beberapa puluh persen menjadi lebih dari setengah. Selain itu, FPGA adalah struktur reguler yang nyaman untuk melacak cacat teknologi. Oleh karena itu, pabrikan FPGA adalah "pelanggan pertama" yang khas untuk proses pembuatan baru, dan Xilinx, karena fakta bahwa produk mereka mengandung beberapa kristal kecil, bukannya satu ukuran penuh, dapat meluncurkan model baru beberapa bulan lebih cepat daripada pesaing.
Berikut ini adalah penampang bagian dalam Xilinx FPGA. Chip atas sebenarnya merupakan bagian dari FPGA dengan kontak yang sangat kecil (40-45 mikron) ke interposer yang menghubungkan beberapa chip bersama-sama, dan di bagian bawah adalah dasar kasing, yang memiliki selusin lapisan interkonek logamnya sendiri.
Sebagai perbandingan - FPGA Altera pada satu kristal besar. Lima ratus enam puluh milimeter persegi, Carl! Jika tiba-tiba posting ini dibaca oleh teknologi produksi mikroelektronika, pastikan mereka tidak terkena serangan jantung.
Namun, Intel / Altera, tentu saja, tidak duduk diam, menyaksikan kesuksesan para pesaing. Perkembangan terbaru mereka dalam sistem tertutup adalah Embedded Multi-Chip Interconnect Bridge (EMIB). Lebih mudah melihatnya menggunakan Intel Stratix 10 FPGA.
Seperti yang Anda lihat, EMIB menghubungkan (satu!) Chip FPGA, memori (dan struktur multi-lantai) dan kristal periferal. Jadi, apa EMIB ini? Sedikit lebih tinggi saya menulis tentang silikon interposer yang karena proses teknis yang lebih keras itu memiliki harga yang jauh lebih rendah daripada chip berukuran serupa yang dibuat menggunakan teknologi tipis. Namun demikian, interposer sangat besar. Apakah mungkin membuatnya lebih kecil?
Jawaban Intel adalah ya. Ide EMIB adalah menggunakan beberapa yang kecil alih-alih satu interposer besar dan, pada gilirannya, mengintegrasikannya langsung ke substrat tubuh.
Berikut adalah beberapa pilihan produk yang dibuat menggunakan interposers silikon. Perhatikan dimensi kolosal mereka dengan standar mikroelektronik dan fakta bahwa, seperti yang kita bahas di atas, chip tempur Xilinx dibagi menjadi beberapa bagian kecil.
Lebih dari sekedar kinerja.
Gambar di bawah ini menunjukkan bagian dalam diagram Analog Perangkat ADC perumahan dan sirkuit. Sepertinya papan sirkuit tercetak yang benar-benar biasa untuk ADC, hanya lebih kecil, bukan? Itu benar, ini dia, hanya karena penggunaan komponen kerangka terbuka kesalahan yang terkait dengan elemen palsu telah berkurang, dan fakta bahwa papan dikembangkan di Perangkat Analog memungkinkan mereka untuk menghemat banyak waktu pelanggan dan pada saat yang sama memastikan bahwa pengguna tidak mengacaukan dengan memilih yang salah komponen atau papan kabel yang buruk.
Namun, ada sedikit trik pada gambar di atas: lihat kristal diletakkan di dua lantai? Kristal atas adalah chip dengan komponen aktif ADC itu sendiri dan (tampaknya) penguat operasional ganda, dan kristal yang lebih rendah adalah komponen pasif (kapasitor dan resistor). Eksekusi pada kristal yang terpisah memungkinkan Anda untuk membuatnya berukuran lebih besar (dan karenanya mengurangi kesalahan) tanpa meningkatkan (dan karenanya meningkatkan biaya) kristal utama.
Semua hal yang sama dapat dilakukan pada satu chip (yang, pada kenyataannya, tidak jarang, terutama untuk ADC yang dibangun dalam mikrokontroler), tetapi chip tersebut akan jauh lebih besar (yang berarti, seperti yang kami ketahui, ada risiko penurunan persentase yang dapat digunakan), dan teknologi untuknya harus mendukung semua opsi tambahan yang diperlukan. Selain itu, kombinasi berbagai blok pada kristal yang sama akan mengarah pada kebutuhan untuk memastikan bahwa mereka tidak saling mempengaruhi (misalnya, entah bagaimana menghilangkan noise pada substrat kristal).
Fitur perumahan tambahan
Seperti yang telah kita ketahui, mengemas elemen-elemen yang berbeda (termasuk komponen SMD pasif) dalam satu rumah memungkinkan Anda untuk secara signifikan mengurangi dimensi produk akhir dan bahkan meningkatkan kecepatannya. Tetapi bagaimana jika kita menggunakan kasing itu sendiri sebagai elemen fungsional perangkat?
Pada 2013, prosesor Intel (Haswell microarchitecture) mengimplementasikan regulator tegangan terintegrasi (FIVR - integrated voltage regulator), di mana bagian aktif regulator diimplementasikan pada chip prosesor, dan bagian pasif (kapasitor dan induktor) diintegrasikan ke dalam case.
Induktansi integral adalah sakit kepala untuk semua pengembang chip, karena kumparan pada chip diperoleh tidak hanya dengan bukan parameter terbaik, tetapi juga yang besar (yang berarti mereka sangat mahal, terutama dengan teknologi tipis). Dan ini tentang gulungan sinyal tanpa inti, tidak ada pembicaraan tentang transmisi daya sama sekali. Intel berhasil mengatasi masalah ini dengan mengintegrasikan puluhan kumparan kecil paralel yang beroperasi pada frekuensi 160 MHz ke dalam rumah mikroprosesor. Jadi mereka dapat secara signifikan menyederhanakan kebutuhan daya mikroprosesor.
Namun, ada yang salah dengan perkembangan ini, dan tidak ada lagi prosesor Intel FIVR pada generasi berikutnya dari prosesor Haswell. Sejak itu, ada desas-desus bahwa mereka akan kembali ke FIVR, tetapi sejauh ini mereka tetap rumor.
Namun, bahkan tanpa Intel, arah integrasi komponen pasif dalam case secara aktif berkembang, misalnya, dalam kasus tipe LTCC (keramik suhu rendah). Tentu saja ada batasan dan jebakan (terkait, misalnya, dengan keakuratan peringkat), tetapi teknologi ini diminati dan sedang aktif dikembangkan. Kasing LTCC berlapis terlihat seperti ini:
Gambar tersebut menunjukkan semua jenis elemen pasif yang dibuat dari keramik multilayer, dan bahkan heat sink logam (ini merupakan kasus untuk rangkaian gelombang mikro yang kuat). Bahkan, itu adalah campuran kasus dengan papan sirkuit cetak keramik. Potongan-potongan tersebut sangat populer untuk modul RF, dan mereka juga relatif murah dalam produksi skala kecil.
Apa lagi
Ada banyak aplikasi potensial untuk sistem dalam kasus ini, dan hampir tidak mungkin untuk mendaftar semuanya; Selain itu, sesuatu yang baru terus muncul, termasuk karena fakta bahwa teknologi ini jauh lebih terjangkau daripada transistor 10-7-5-3-nanometer.
Contoh yang baik dari aplikasi dan properti baru yang diintegrasikan oleh chip heterogen dalam satu paket adalah berbagai sistem optik di mana SiP memungkinkan Anda untuk merakit penerima atau emitor (biasanya dibuat bukan pada silikon), dan sirkuit daya dan kontrolnya. Dalam ilustrasi di bawah ini - tautan optik prototipe pada 400 Gb / dt (dan janji sebelum terabit), dirakit di lembaga riset Belgia IMEC.
Selain itu, aplikasi yang menjanjikan untuk sistem dalam kasus ini mempertimbangkan hal-hal seperti interpozer dengan kapiler bawaan untuk pendinginan cair (tidak hanya prosesor game, tetapi juga tombol daya, dan laser), unit MEMS terintegrasi dalam kasing, dan banyak lagi tidak termasuk dalam kerangka hukum Moore yang sempit. Selain itu, Internet hal-hal di mana-mana dianggap sebagai pasar penting untuk sistem dalam kasus ini, di mana ukuran kecil, tidak adanya kerugian (terutama energi, bukan waktu) pada elemen palsu, dan kemampuan untuk mengintegrasikan komponen pasif, misalnya, bagian dari jalur radio, ke dalam rangkaian mikro sangat penting.