Ukuran fitur transistor berkurang meskipun ada desas-desus yang konstan tentang kematian hukum Moore dan fakta bahwa industri sangat dekat dengan batas fisik miniaturisasi (atau bahkan melewatinya dengan beberapa trik teknologi pintar). Hukum Moore, bagaimanapun, menciptakan selera pengguna untuk inovasi, yang sulit ditangani untuk industri. Itulah sebabnya produk mikroelektronik modern tidak hanya diperkecil ukurannya, tetapi juga menggunakan sejumlah fitur lain, bahkan seringkali lebih rumit daripada penskalaan chip.
Penafian: Artikel ini adalah terjemahan yang sedikit diperbarui dari karya saya yang diterbitkan di situs ini. Jika Anda berbahasa Rusia, Anda mungkin ingin memeriksa yang asli. Jika Anda berbahasa Inggris, perlu dicatat bahwa bahasa Inggris bukan bahasa ibu saya, jadi saya akan sangat berterima kasih atas umpan balik jika Anda menemukan sesuatu yang aneh dalam teks. Saya sengaja mengatakan "produk mikroelektronik" bukan hanya "chip", karena artikel ini tentang teknologi System in Package (SiP) yang memungkinkan untuk menghubungkan banyak chip di dalam satu paket.
Istilah System in Package adalah cara yang kurang populer daripada istilah System on Chip (SoC), yang secara rutin digunakan oleh setiap perusahaan semikonduktor, dan untuk alasan yang baik karena hampir semua chip modern adalah suatu sistem dengan banyak fungsi yang menyatu bersama. Waktu chipset yang melimpah sudah lama berlalu, karena keuntungan dari SoC sudah jelas: lebih sedikit paket pada PCB, lebih sedikit area (baca “lebih murah”), kapasitansi dan induktansi yang kurang parasit (baca “lebih cepat”), lebih mudah diimplementasikan dan digunakan, lebih murah untuk merancang dan memproduksi satu chip kompleks daripada sekelompok yang lebih spesifik.
Tapi tidak ada yang gratis, dan SoCs jelas memiliki beberapa kerugian.
Pertama, saat mencoba menyatukan semua bagian, Anda berisiko mendapatkan chip yang terlalu besar untuk bisa dimasukkan ke dalam paket apa pun, atau lebih buruk lagi, ke jendela photolithographer. Pembatasan yang terakhir dapat dilampaui, tetapi itu hampir selalu terlalu mahal (dengan kamera foto menjadi pengecualian yang paling menonjol).
Ini adalah sensor gambar Kodak Kaf39000, memiliki luas 2000 milimeter persegi, dan menggunakan jahitan topeng. Chip non-dijahit terbesar adalah NVIDIA Volta 815 milimeter persegi, yang hanya 20 milimeter kurang dari ukuran terbesar yang mungkin.
Kedua, semakin besar chip, semakin rendah hasilnya, karena setitik debu dapat merusak hari Anda. Dan coba tebak? Hasil yang lebih rendah berarti harga yang lebih tinggi.
Ketiga, jika sistem Anda mengandung komponen heterogen, seperti inti prosesor, DRAM, dan modul RF, menggabungkan keduanya mungkin secara teknologi tidak mungkin atau, sekali lagi, mahal secara tidak masuk akal. Sebagai contoh, sel-sel DRAM membutuhkan kapasitor kepadatan tinggi khusus, dan sirkuit RF berbasis silikon mungkin lebih buruk daripada rekan-rekan mereka yang diproduksi pada berbagai bahan A3B5 (GaAs dan sejenisnya). Bahkan kombinasi sederhana dari pemrosesan digital dan pengkondisian sinyal analog pada chip yang sama menciptakan masalah kebisingan yang signifikan. Dan saya bahkan tidak mengatakan tentang fakta bahwa 180 nm ADC akan dengan mudah menjadi dua kali lipat lebih murah daripada menambahkan analog 14 nm ke chip MCU 14 nm.
Kombinasi dari semua faktor di atas menyebabkan perubahan tren dari "kami-akan-kemas-segalanya-ke-chip-tunggal" ke pendekatan yang lebih pragmatis - dan ke perkembangan cepat berbagai teknologi kemasan.
Performa dan hasil
Contoh pertama yang muncul dalam pikiran adalah kelahiran kembali AMD baru-baru ini, yang secara luas diakui sebagai hasil dari keberhasilan mereka dengan sistem multi-chip (juga dibantu oleh masalah Intel dengan hasil pada chip 10 nm yang sangat besar).
Gambar di atas adalah Xeon 28-core Intel. Luas chip prosesor ini dapat mencapai 456 milimeter persegi, sementara ukuran maksimum chip AMD hanya 200 milimeter persegi untuk delapan core, produk inti mereka sebenarnya adalah dua lapis PCB dengan hingga empat dadu di dalam paket.
Gambar ini menunjukkan PCB di dalam prosesor EPYC dan Threadripper. Dalam hal Threadripper 16-core, kami masih memiliki empat chip, tetapi setengah dari core dinonaktifkan. Mengapa tidak menggunakan dua dadu saja? Atau gunakan dadu empat inti yang lebih kecil?
Pertama, memiliki satu chip untuk semua keperluan jelas jauh lebih murah daripada mendesain sebuah keluarga.
Kedua, hal yang sama berlaku untuk PCB, paket, dll. Lebih mudah menonaktifkan komponen berlebih daripada mendesain serangkaian produk.
Ketiga dan mungkin yang paling penting, hasil 200-sq.mm. mati masih jauh dari 100%, dan menonaktifkan beberapa inti yang sudah tidak berfungsi adalah cara yang baik untuk menggunakan dadu cacat ini. Intel melakukan hal yang sama dengan dadu cacat mereka, tetapi masalah hasil mereka lebih parah karena area chip yang lebih besar.
Di sini kita memiliki contoh yang lebih menarik lagi dari AMD. Fiji adalah GPU dengan memori berkecepatan tinggi tertanam yang ditempatkan di dalam paket. Karena garis sinyal yang lebih pendek memungkinkan mencapai kecepatan yang lebih tinggi dan karenanya kinerja yang lebih tinggi. Menyatukan berbagai chip membuat perbedaan antara ini dan contoh sebelumnya. Ngomong-ngomong bukan lima dadu di dalam seperti yang mungkin disarankan, tapi dua puluh dua! Mari kita lihat bagian melintang:
Tingkat atas adalah GPU mati itu sendiri dan tumpukan empat dadu memori yang terhubung oleh TSV (through-silicon-vias) - melakukan kontak yang menembus seluruh chip.
Seperti itulah rupa TSV.
Teknologi TSV diciptakan untuk memori (orang tidak dapat memiliki terlalu banyak memori, bukan?), Tapi sekarang tersebar luas, sebagian berkat cetakan yang diletakkan di bawah GPU dan memori.
Die disebut Silikon Interposer dan itu adalah pengganti PCB yang terbuat dari silikon dengan beberapa (atau banyak) tingkat metalisasi, dan dengan TSV. Interposer ini ada untuk menghubungkan beberapa chip di atasnya dengan substrat paket. Teknologi silikon memungkinkan memiliki ukuran fitur yang lebih kecil daripada PCB apa pun (hingga beberapa mikron), tetapi itu akan dianggap sangat sederhana dan murah untuk teknologi silikon. Ukuran fitur yang lebih kecil dan TSV berarti kinerja yang lebih baik daripada PCB apa pun dapat memberikan, sementara hasil akan sangat tinggi. Interposers (bersama MEMS) adalah pasar yang sangat menarik dan penting, terutama karena mereka juga memungkinkan penggunaan kembali peralatan lama untuk 200, 150, dan bahkan 100 mm wafer.
Omong-omong, bisakah Anda menemukan kesalahan pada gambar di atas?Xilinx adalah pelopor integrasi 3D lainnya. Produk mereka dekat dengan AMD (terutama produk yang membawa banyak memori), dan untuk alasan yang sama. FPGA adalah pasar di mana peralihan awal ke simpul proses yang lebih kecil dapat memberikan keuntungan yang sangat besar dibandingkan persaingan. Mengurangi ukuran chip tiga hingga empat kali dikatakan memberikan dua atau tiga kali peningkatan hasil pada tahap awal seumur hidup node proses, dari 20 persen menjadi lebih dari setengah. Selain itu, FPGA adalah struktur yang kompleks, tetapi teratur, hampir ideal untuk menyelidiki spektrum besar masalah manufaktur. Ini membuat vendor FPGA klien burung awal terbaik untuk fab, karena kolaborasi seperti itu bermanfaat bagi kedua belah pihak. Fab mendapatkan chip uji yang hebat sementara vendor mampu mengalahkan pesaing selama beberapa bulan.
Di sini kita bisa melihat FPGA dari Xilinx. Die atas adalah bagian FPGA dengan ton kontak 40 mikrometer ke die antara yang disebut interposer. Yang terendah adalah satu paket, yang memiliki selusin lapisan logamnya sendiri.
FPGA Altera hebat mati untuk perbandingan. Lima ratus enam puluh milimeter persegi! Jika Anda melihat insinyur proses di sekitar, merawat mereka, ada risiko stroke jantung.
Intel / Altera jelas tidak hanya menatap kemajuan pesaing. Berikut ini adalah solusi SiP baru mereka yang disebut EMIB (Embedded Multi-Chip Interconnect Bridge). Contoh yang baik adalah Intel Stratix 10 FPGA.
EMIB menghubungkan mati FPGA (masih hanya satu), dadu memori, dan dadu pinggiran. Apa itu EMIB? Interposer yang tipikal jauh lebih murah bahwa die "komputasi" dengan ukuran yang sama dengan interposer menggunakan node proses yang jauh lebih besar; Namun, interposer masih sangat besar dan karenanya cukup mahal. Bisakah kita membuatnya lebih kecil?
Jawaban Intel adalah "ya kita bisa". Gagasan di balik EMIB adalah menggunakan beberapa interposer kecil alih-alih yang besar, dan mengintegrasikannya ke dalam paket.
Berikut adalah galeri kecil produk yang dibuat dengan interposers. Lihatlah betapa besarnya mereka, dan bagaimana Xilinx dibuat dari potongan-potongan.
Lebih dari sekedar kinerja
Gambar di bawah ini adalah ADC Perangkat Analog dan diagram skematik. Sepertinya PCB tipikal Anda, hanya lebih kecil, bukan? Ya, ini adalah PCB, tetapi penggunaan dadu kosong sebagai ganti paket memungkinkan untuk mengurangi parasit dan pengaruhnya terhadap kinerja. Fakta bahwa seluruh papan dirancang dalam Perangkat Analog juga menambahkan lapisan perlindungan terhadap kesalahan desain sistem dan mengarah pada pengalaman pengguna yang lebih baik.
Ada juga triknya: apakah Anda melihat dua dadu saling mengepak? Semakin tinggi mengintegrasikan komponen aktif (transistor) dari ADC dan mungkin dari penguat operasional ganda, sedangkan yang lebih rendah terdiri dari pasif (resistor dan kapasitor). Menempatkan pasif ke dalam die yang terpisah memungkinkan membuatnya lebih besar dan karenanya mengurangi variasi parameter tanpa membuat die utama lebih besar dan lebih mahal. Penurunan variasi parameter adalah masalah besar untuk rangkaian analog, dan ini dicapai dengan murah di sini.
Semuanya dapat dilakukan pada satu die (dan sering dilakukan, terutama pada ADC tertanam), tetapi die seperti itu akan lebih besar (yang bisa berarti "lebih mahal" dan "dengan hasil lebih rendah"), dan teknologi harus mendukung semua opsi yang diperlukan (yang juga berarti "lebih mahal" karena jumlah topeng yang lebih besar). Selain itu, ketika Anda menggabungkan banyak blok heterogen pada chip yang sama, Anda harus berurusan dengan pengaruh silang mereka. Pengaruh noise digital pada bagian analog mungkin yang paling penting, tetapi bukan satu-satunya.
Fungsionalitas tambahan paket
Seperti yang telah kita lihat sebelumnya, kemasan dapat membuat produk lebih murah dan bahkan memperbaikinya. Tetapi bagaimana jika kita menggunakan paket sebagai bagian yang berarti dari produk?
Intel menerapkan apa yang disebut FIVR (Fully Integrated Voltage Regulator) dalam mikroprosesor Haswell mereka. Tujuan dari FIVR adalah untuk mengubah tegangan input yang relatif tinggi (1,8 V) menjadi tegangan suplai inti yang rendah dan realtime. Komponen aktif adalah on-chip, sementara pasif (kapasitor dan induktansi) dimasukkan ke dalam paket prosesor.
Induktansi terintegrasi adalah sakit kepala perancang chip, karena itu buruk, besar, dan dengan induktansi rendah. Ini digunakan dalam chip frekuensi radio, tetapi hampir tidak ada kemungkinan transfer daya. Intel memecahkan masalah dengan mengintegrasikan lusinan induktor kecil ke dalam paket prosesor. Induktor ini bekerja pada 160 MHz tanpa inti feromagnetik. Dengan melakukan itu, Intel menyederhanakan persyaratan pasokan untuk perangkat mereka secara signifikan.
Namun, Intel akhirnya membatalkan FIVR, dan kembali ke pendekatan pasokan yang lebih tradisional untuk generasi yang lebih baru. Ada beberapa rumor bahwa FIVR dapat kembali, tetapi pada akhirnya itu hanya rumor.
Salah satu opsi lain untuk mengintegrasikan pasif ke dalam paket adalah LTCC (keramik cofired suhu rendah). Ada beberapa batasan dan masalah (seperti nilai nominal terbatas dan presisi), tetapi teknologi ini dikembangkan secara aktif. Paket LTCC multilayer terlihat seperti ini:
Semua jenis komponen pasif terwakili di sini, bahkan heat sink logam (ini adalah paket untuk IC RF daya). Orang dapat mengatakan bahwa itu bukan hanya paket, tetapi campuran paket dan PCB keramik, hal-hal ini sangat populer untuk rangkaian RF dan relatif murah dalam jumlah kecil.
Apa lagi
Ada banyak aplikasi potensial untuk sistem dalam paket, dan tidak mungkin untuk mendaftar semuanya. Perlu juga dicatat bahwa mereka secara signifikan lebih murah daripada node proses baru, yang mendorong daya tarik komersial mereka.
Sistem optoelektronik adalah contoh terakhir namun tidak kalah penting untuk artikel ini. Kemampuan untuk menggabungkan penerima / pemancar optik (sering dibangun di atas semikonduktor senyawa) dengan pasokan silikon dan chip kontrol sangat menjanjikan. Gambar di bawah ini adalah prototipe 400 Gbit / s (dan 1 Tbit / s dijanjikan untuk masa depan) tautan optik yang dirancang dalam IMEC.
Ada juga banyak aplikasi lain seperti interposer dengan kapiler terintegrasi untuk pendinginan air (tidak hanya untuk game dan pertambangan, tetapi juga untuk sakelar daya dan laser), MEMS terintegrasi dan hanya Tuhan yang tahu apa lagi. Dan tentu saja kita tidak dapat melarikan diri dari Internet of Things di mana-mana, di mana ukuran kecil, kehilangan rendah dan kemampuan untuk mengintegrasikan radio dan blok komputasi bersama adalah hal yang sangat penting.
Paket chip diyakini sebagai langkah besar berikutnya dalam mikroelektronika oleh banyak orang, dan kita mungkin akan melihat banyak ide cemerlang dalam waktu terdekat.