Selamat tinggal PCB; halo silikon interkoneksi

Menempatkan chipset telanjang di jaringan silikon akan memungkinkan Anda membuat komputer yang lebih kecil dan lebih banyak kekuatan pemrosesan

Kebutuhan untuk membuat perangkat tertentu semakin sedikit, sementara yang lain semakin banyak, telah lama menjadi motivator utama untuk inovasi dalam elektronik. Opsi pertama memanifestasikan dirinya dalam kemajuan dari laptop ke smartphone, kemudian ke jam tangan pintar, headphone pintar, dan elektronik “tak terlihat” lainnya. Opsi kedua menentukan konfigurasi pusat data modern - monster megawatt yang mengisi fasilitas penyimpanan yang khusus dibuat untuk mereka di seluruh dunia. Menariknya, dalam kedua kasus, kemajuan dibatasi oleh teknologi yang sama - hanya karena berbagai alasan.

Kami berpendapat bahwa PCB adalah biang keladinya. Solusi kami adalah sepenuhnya menyingkirkannya.

Studi kami menunjukkan bahwa papan sirkuit tercetak dapat diganti dengan bahan yang sama dengan chip yang disolder - yaitu, silikon. Pendekatan semacam itu akan memungkinkan untuk membuat kedua sistem dengan ukuran dan berat yang lebih kecil, cocok untuk perangkat elektronik yang dapat dipakai dan perangkat lain dengan ukuran terbatas, dan komputer berkecepatan tinggi yang sangat kuat, yang mampu mendorong daya komputasi selusin server ke dalam substrat silikon seukuran piring makan.

Teknologi semua-silikon yang serupa, yang kami sebut jaringan interkoneksi silikon, memungkinkan Anda menghubungkan chip telanjang secara langsung ke masing-masing fragmen silikon. Tidak seperti trek pada papan sirkuit tercetak, kontak antara chip pada media kami memiliki ukuran yang sama dengan trek di dalam chip. Dalam hal ini, lebih banyak koneksi dapat diletakkan di substrat, dan semuanya mampu mentransmisikan data lebih cepat dengan konsumsi daya yang lebih sedikit.

Kain silikon-interkoneksi (Si-IF) memberikan manfaat tambahan lainnya. Ini adalah cara yang bagus untuk memecah sistem produksi chip tunggal yang relatif besar, kompleks, dan tidak nyaman [sistem-pada-chip, SoC], yang menjadi sandaran segalanya, mulai dari smartphone hingga superkomputer. Alih-alih SoC, pengembang sistem dapat menggunakan konglomerat yang lebih kecil, lebih sederhana dalam desain dan dalam produksi chiplet, yang saling terkait erat pada Si-IF. Revolusi chipset semacam itu sudah berlangsung - AMD, Intel, Nvidia dan perusahaan lain menawarkan set chipset yang dirangkai dalam casing canggih. Jaringan silikon interkoneksi memperluas ide ini dengan memecahkan casing sistem dan memungkinkan Anda untuk memasukkan seluruh komputer di dalamnya.

Untuk memahami manfaat penuh dari menghilangkan papan sirkuit, pertimbangkan apa yang terjadi dengan SoC biasa. Karena perkembangan elektronik menurut hukum Moore, pada sentimeter persegi silikon, Anda dapat mengemas hampir semua yang Anda butuhkan agar smartphone berfungsi. Sayangnya, karena banyak alasan terkait dengan fitur papan sirkuit tercetak, bagian silikon ini ditempatkan di dalam kotak plastik, kadang-kadang 20 kali ukuran chip itu sendiri.

Perbedaan ukuran antara chip dan kasing menciptakan setidaknya dua masalah. Pertama, berat dan volume chip yang dikemas lebih besar daripada sepotong silikon itu sendiri. Jelas, ini adalah masalah untuk semua perangkat yang harus kecil, tipis dan ringan. Kedua, jika produk jadi membutuhkan beberapa chip yang saling bertukar data (dan sebagian besar sistem memilikinya), maka jarak yang dibutuhkan sinyal untuk meningkat meningkat lebih dari 10 kali lipat. Ini adalah hambatan untuk kecepatan dan konsumsi daya, terutama ketika bertukar data dalam jumlah besar. Ini mungkin tantangan terbesar untuk mengimplementasikan aplikasi yang bergantung pada data - grafik, pembelajaran mesin, dan pencarian. Lebih buruk lagi, chip dalam kasus seperti itu lebih sulit untuk didinginkan. Pembuangan panas telah menjadi faktor pembatas dalam elektronik selama beberapa dekade.

Tetapi jika kasus-kasus ini sangat bermasalah, mengapa tidak menyingkirkan mereka? Karena papan sirkuit.

Tugas papan sirkuit adalah untuk menggabungkan chip, komponen pasif dan perangkat lain ke dalam sistem kerja. Namun teknologi ini tidak sempurna. Papan sirkuit tercetak sulit untuk dibuat sempurna - mereka sering bengkok. Kasing chip biasanya dihubungkan ke papan menggunakan tetesan solder, yang meleleh dan disolder ulang selama produksi. Keterbatasan teknologi penyolderan bersama dengan kelengkungan permukaan menyebabkan tetesan tidak lebih dekat dari 0,5 mm satu sama lain. Dengan kata lain, dimungkinkan untuk menempatkan tidak lebih dari 400 kontak per sentimeter persegi. Untuk banyak aplikasi, ini terlalu sedikit untuk transmisi daya dan sinyal ke dan dari chip. Misalnya, pada permukaan kecil yang ditempati oleh kristal prosesor Intel Atom ada ruang yang cukup untuk ratusan kontak dengan ukuran 0,5 mm, dan perlu 300. Pengembang menggunakan kasing untuk kristal sehingga matematika bertemu dengan jumlah kontak per unit area. Kasing ini mengambil kontak kecil dari chip silikon - mulai dari 1 hingga 50 mikron - dan memperluasnya ke skala papan, 500 mikron.

Baru-baru ini, industri semikonduktor telah mencoba membatasi masalah yang terkait dengan papan sirkuit cetak dengan mengembangkan penutup canggih dengan teknologi interposer silikon. Interposer adalah lapisan tipis silikon di mana sejumlah kecil chip silikon terpasang, terhubung satu sama lain melalui sejumlah besar kontak. Tetapi pada saat yang sama, interposer dengan chip-nya masih perlu disembunyikan dalam kasing dan ditempatkan pada papan sirkuit tercetak, sehingga opsi ini menambah kerumitan tanpa menyelesaikan masalah yang tersisa. Selain itu, interposer harus tipis, rapuh dan terbatas ukurannya - yang berarti sulit untuk membuat sistem besar pada mereka.

Kami percaya bahwa pilihan terbaik adalah menyingkirkan casing dan papan sirkuit tercetak dengan memasang chip pada substrat silikon yang relatif tebal (dari 500 mikron hingga 1 mm). Prosesor, kristal memori, chipset RF, modul kontrol tegangan, dan bahkan komponen pasif seperti induktor dan kapasitor dapat dipasang langsung ke silikon. Dibandingkan dengan bahan papan sirkuit cetak yang biasa - fiberglass dan komposisi epoksi FR-4 - substrat silikon padat, dan dapat dipoles ke bidang yang hampir sempurna, sehingga lengkungannya tidak takut. Selain itu, karena chip dan media akan mengembang dan menyusut saat suhu berubah dengan jumlah yang sama, Anda tidak perlu lagi koneksi yang besar dan fleksibel antara chip dan media, seperti menyolder.

Tetesan solder dapat diganti dengan pin tembaga mikrometer yang tertanam di substrat. Menggunakan kompresi termal - pada kenyataannya, aplikasi pemanasan dan tekanan yang tepat - kontak input / output tembaga dari chip dapat langsung dihubungkan ke pin. Optimalisasi menyeluruh dari sambungan termokompresi dapat memberi kita kontak yang jauh lebih andal daripada menyolder, dan pada saat yang sama menggunakan lebih sedikit bahan berbeda.

Dengan menghilangkan papan sirkuit tercetak dan kelemahannya, akan memungkinkan untuk mengatur port I / O pada jarak hanya 10 mikron dari satu sama lain, bukan 500 mikron. Sebagai hasilnya, akan memungkinkan untuk menempatkan 2.500 kali lebih banyak port pada chip silikon tanpa perlu menggunakan kasing.

Lebih baik lagi, proses pembuatan semikonduktor standar dapat dikonfigurasi ulang untuk membuat diagram pengkabelan Si-IF multi-level. Jejak mereka dapat dibuat lebih tipis dari pada papan sirkuit cetak. Mereka dapat dipisahkan satu sama lain hanya dengan 2 mikron, dan bukan oleh 500 mikron, seperti pada papan sirkuit tercetak. Teknologi ini bahkan memungkinkan Anda untuk menempatkan chip pada jarak 100 mikron satu sama lain, tidak seperti papan sirkuit cetak, di mana ia harus lebih dari 1 mm. Akibatnya, sistem Si-IF menghemat ruang, energi, dan waktu perjalanan sinyal.

Selain itu, tidak seperti papan sirkuit cetak dan bahan untuk penutup IC, silikon melakukan panas dengan cukup baik. Radiator dapat dipasang di kedua sisi Si-IF untuk menghilangkan lebih banyak panas - menurut perkiraan kami, 70% lebih banyak. Dan semakin banyak panas dihilangkan, semakin cepat prosesor dapat bekerja.

Meskipun silikon memiliki kekuatan dan ketangguhan yang baik, silikon ini sedikit rapuh. Untungnya, industri semikonduktor telah mengembangkan metode untuk bekerja dengan substrat silikon besar untuk mencegah retak selama beberapa dekade. Dan setelah semua prosedur produksi Si-IF yang diperlukan, kami berharap mereka lulus sebagian besar uji reliabilitas, termasuk pengujian dampak, pemanasan siklik dan paparan lingkungan.

Tidak ada jalan keluar dari kenyataan bahwa silikon kristal lebih mahal daripada FR-4. Walaupun biayanya tergantung pada banyak faktor, harga per milimeter persegi dari papan sirkuit cetak 8-lapisan dapat sepuluh kali lebih rendah daripada Si-IF 4-lapisan. Namun, analisis kami menunjukkan bahwa jika Anda mengurangi biaya penempatan chip dalam kasing dan produksi papan yang rumit, dan memperhitungkan penghematan ruang menggunakan teknologi Si-IF, perbedaan dalam biaya akan menjadi tidak signifikan, dan dalam beberapa kasus Si-IF bahkan mungkin lebih menguntungkan.


Jaringan silikon antar-komponen dibandingkan dengan papan sirkuit cetak dan chip pada sasis. Di bagian bawah diagram adalah skala perkiraan untuk memahami perbedaan ukuran.

Mari kita lihat beberapa contoh manfaat menggunakan Si-IF ke sistem komputasi. Dalam satu studi desain server, kami menemukan bahwa menggunakan prosesor tanpa chassis menggunakan Si-IF dapat menggandakan kinerja prosesor konvensional karena peningkatan konektivitas dan peningkatan pembuangan energi. Selain itu, ukuran papan silikon (tanpa adanya istilah yang lebih baik) dapat dikurangi dari 1000 cm ² hingga 400 cm ² . Penurunan serius seperti itu akan secara signifikan mempengaruhi volume gedung pusat data dan ukuran infrastruktur pendingin. Adapun ujung skala yang lain, kami mempelajari sebuah sistem kecil untuk "Internet of things" berdasarkan mikrokontroler Arm. Dalam hal ini, penggunaan Si-IF mengurangi tidak hanya ukuran papan hingga 70%, tetapi juga beratnya, dari 20 menjadi 8 gram.

Selain mengurangi sistem yang ada dan meningkatkan produktivitas, Si-IF akan memungkinkan pengembang untuk membuat komputer yang tidak mungkin dibangun - atau itu akan sangat tidak praktis.

Dalam server yang kuat dan khas, papan biaya 2-4 prosesor. Beberapa proyek dengan beban komputasi tinggi memerlukan beberapa server. Ketika memindahkan data antara prosesor dan papan yang berbeda, penundaan dan kemacetan terjadi. Tetapi bagaimana jika semua prosesor ditempatkan pada substrat silikon tunggal? Mereka dapat diintegrasikan begitu erat sehingga seluruh sistem akan bekerja sebagai satu prosesor besar.

Konsep ini pertama kali diusulkan oleh Gene Amdahl di perusahaan Trilogy Systems-nya. Tetapi Trilogy tidak berhasil, karena proses produksinya gagal menghasilkan kualitas yang memadai untuk sistem kerja. Saat membuat chip, selalu ada kemungkinan cacat, dan dengan peningkatan area, kemungkinan pernikahan meningkat secara eksponensial. Ketika ukuran chip sebanding dengan piring makan, hampir dijamin bahwa itu membunuh seluruh sistem pernikahan.

Tetapi jika Anda memiliki jaringan interkoneksi silikon, Anda bisa mulai dengan chipset yang sudah dapat kami produksi tanpa cacat, dan kemudian menggabungkannya ke dalam satu sistem. Tim peneliti kami dari University of California di Los Angeles dan University of Illinois di Urbana-Campaign mengembangkan sistem semacam itu dengan substrat yang berisi 40 GPU. Dalam simulasi, ini mempercepat perhitungan lebih dari 5 kali, dan mengkonsumsi energi 80% lebih sedikit dari sistem setara 40 GPU yang dibuat menggunakan casing multi-chip canggih dan papan sirkuit cetak.

Hasilnya meyakinkan, meskipun tugas itu tidak mudah. Kami harus mempertimbangkan banyak pembatasan, khususnya: jumlah panas maksimum yang dikeluarkan dari substrat; cara membuat GPU bertukar data secepat mungkin; cara memasok daya ke seluruh area media.




Dilet, atau chipset, terintegrasi pada jaringan silikon yang saling berhubungan, substrat 100 mm. Dilet, tidak seperti chip pada papan sirkuit cetak, dapat ditempatkan pada jarak 100 mikron satu sama lain

Keterbatasan utama adalah nutrisi. Dengan voltase operasi chip standar 1 V, trek tipis media harus mengkonsumsi 2 kW. Sebagai gantinya, kami menaikkan tegangan menjadi 12 V, mengurangi arus dan daya dengan cara ini. Untuk melakukan ini, perlu untuk mendistribusikan regulator tegangan dan kapasitor di seluruh substrat, dan mereka mengambil tempat yang jika tidak dapat diberikan kepada GPU tambahan. Terinspirasi oleh hasil awal, kami sekarang sedang merakit sistem komputasi prototipe yang kami harap akan selesai pada akhir tahun 2020.

Jaringan silikon interkoneksi dapat memainkan peran dalam tren penting dalam industri komputer: pembagian SoC ke dalam set daylet [dielet - terintegrasi dari “die”, crystal, dan “–let”, awalan / perkiraan reduksi. transl.], atau chiplets (kami lebih suka menyebutnya daylet, karena ini menekankan esensi mereka sebagai kristal silikon telanjang, ukurannya yang kecil dan, mungkin, fungsionalitas yang tidak lengkap tanpa daylet Si-IF lainnya). Selama dua dekade terakhir, keinginan untuk meningkatkan kinerja dan mengurangi biaya telah meyakinkan pengembang untuk mengganti set chip dengan SoC terintegrasi yang lebih besar. Dan, terlepas dari kelebihan mereka, SoC memiliki sejumlah kelemahan.

Pertama, SoC adalah satu chip besar, dan, seperti yang telah disebutkan, cukup sulit untuk mencapai indikator persentase penolakan yang dapat diterima dalam produksi chip besar, terutama di industri semikonduktor maju (ingat bahwa persentase penolakan meningkat secara eksponensial dengan meningkatnya area chip). Kerugian lain dari SoC adalah tingginya biaya untuk merancang dan memulai produksi; misalnya, di AS, topeng photolithographic dapat berharga mulai $ 2 juta, yang membuat opsi SoC tidak tersedia untuk sebagian besar skema. Selain itu, apa pun, bahkan perubahan kecil dalam skema atau memperbarui proses produksi akan membutuhkan pemrosesan yang signifikan dari seluruh SoC. Akhirnya, pendekatan SoC mencoba menyesuaikan semua subsistem ke dalam satu proses produksi, bahkan ketika beberapa subsistem ini dapat dilakukan dengan lebih baik dalam proses lain. Akibatnya, tidak ada apa pun di SoC yang mencapai efisiensi atau kecepatan setinggi mungkin.

Integrasi pada Si-IF tanpa partisipasi enklosur menghindari semua masalah ini, dengan tetap mempertahankan ukuran dan kecepatan SoC yang kecil, sambil memberikan keuntungan dan biaya pengembangan. Ini memecah SoC menjadi komponen penyusunnya dan membuat ulang sistem pada substrat, sistem - pada - Si-IF (SoIF).

Sistem seperti ini terdiri dari daylet yang diproduksi secara independen yang terhubung melalui Si-IF. Dilet pemisah jarak minimum (puluhan mikrometer) sebanding dengan jarak antara dua blok fungsi SoC. Pengkabelan pada Si-IF adalah sama dengan yang digunakan pada tingkat atas SoC, sehingga densitas senyawanya sebanding.


Dari atas ke bawah: bandwidth (GB / s), konsumsi daya (fJ / B), penundaan (ps).
Biru - sistem pada chip, nuansa merah - integrasi normal, nuansa hijau - sistem-pada-substrat

Kelebihan SoIF dibandingkan SoC adalah karena ukuran penundaan. Penghapusan kecil lebih murah untuk diproduksi daripada SoC besar karena mereka memiliki tingkat penolakan yang lebih rendah karena ukurannya yang kecil. Di SoIF, hanya media itu sendiri yang memiliki ukuran besar. Tapi dia tidak mungkin memiliki masalah dengan pernikahan, karena terbuat dari beberapa lapisan yang mudah dibuat. Sebagian besar kerugian karena cacat adalah karena cacat pada lapisan transistor atau lapisan logam superdense yang lebih rendah, dan ini adalah kasus dengan jaringan silikon yang saling berhubungan.

Selain itu, SoIF akan memiliki semua keunggulan dalam pengejaran dimana industri ini beralih ke chipset. Misalnya, transisi SoIF ke proses pembuatan selanjutnya harus lebih mudah dan lebih murah. Setiap dylet dapat memiliki teknologi produksinya sendiri, dan hanya dylet yang benar-benar memerlukannya yang dapat diperbarui. Dan penghapusan yang tidak terlalu diuntungkan dari berkurangnya transistor tidak perlu diubah. Integrasi heterogen seperti itu memungkinkan Anda untuk membuat kelas sistem pencampuran mixer yang sama sekali baru dari berbagai generasi dan teknologi yang biasanya tidak kompatibel dengan CMOS. Sebagai contoh, kelompok kami baru-baru ini mendemonstrasikan kombinasi kristal indium phosphide dengan SoIF sebagai contoh potensi penggunaan dalam rangkaian frekuensi tinggi.

Karena dilettes akan diproduksi dan diverifikasi sebelum terhubung ke SoIF, mereka dapat digunakan dalam sistem yang berbeda, yang secara signifikan akan menghemat. Akibatnya, total biaya pengembangan dan pembuatan SoIF mungkin 70% lebih rendah daripada SoC. Ini akan menjadi benar terutama untuk sistem besar yang diproduksi dalam batch kecil - seperti halnya dengan industri kedirgantaraan dan pertahanan, di mana ada permintaan hanya untuk batch pesanan beberapa ratus atau ribu unit. Sistem yang dibuat khusus juga akan lebih mudah dilakukan di SoIF, karena ini mengurangi biaya dan waktu pengembangan.

Kami percaya bahwa biaya dan manfaat keragaman tersebut dapat mengarah pada dimulainya era baru inovasi di mana perangkat keras baru akan tersedia untuk sejumlah besar desainer, startup dan universitas.

Dalam beberapa tahun terakhir, kami telah membuat kemajuan yang signifikan dalam teknologi integrasi Si-IF, tetapi masih banyak yang harus dilakukan. Pertama-tama, perlu untuk menunjukkan proses produksi Si-IF rendah yang layak secara komersial. Si-IF «» . 3324 . , 300 .

Si-IF. , .

, . PowerTherm.

, , , .

, SoIF . Si-IF – , . . , , , . , , . , SoIF.

. , . SoIF, , . . . , , /.

, , . , . SoC, . – SoC , «» . , .

, Defense Advanced Research Projects Agency's Common Heterogeneous Integration and IP Reuse Strategies (CHIPS), . , , .