Особливості корпусів багатокристальних модулів

На сьогодні стандартні корпуси інтеграль­них мікросхем вже не задовольняють роз­робників кристалів. Поява багатокристальних мікросхем, мікросхем НВЧ, оптичних мікро­схем викликало появу нових конструктивних рішень. Один з таких напрямків розглядається у цій статті.

М. Мота

Сучасна мікроелектронна промисловість знахо­диться на переломній точці, де перетин розмірів кристалів та системної складності дає можливість переосмислити та вдосконалити архітектуру напів­провідникових чіпів, щоб відповідати вимогам сьо­годення та найближчого майбутнього. З одного боку, кристали або чіпи стають дедалі складнішими, що обумовлено потребами з інтенсивних обчис­лень, які виникають у високопродуктивних супер­комп’ютерах (high-performance computers – HPC) та системах з штучним інтелектом. У той же час роз­робники ІМС прагнуть забезпечити оптимальні по­тужність, продуктивність, площу кристалів з міні­мальним затримками. У цьому нові технології корпу­сів ІМС відіграють важливу роль. Конструкція IMC, що містить декілька кристалів, виявилася на сьо­годні гідним варіантом для досягнення поставлених цілей. Багатокристальна система в одному корпусі (system-in-package – SiP) забезпечує ряд наступних переваг:

• створення IMC з більшою функціональністю
• швидке створення кількох простих кристалів замість одного досить складного
• зменшення проєктного ризику при викори­станні вже перевірених на практиці кристалів
• зменшення потужності системи зі збільшенням пропускної здатності порівняно з використанням двох окремих мікросхем в окремих корпусах
• оптимальні розміри складної системи з ниж­чоювартістю
• підвищена продуктивність системи завдяки низькій затримці в порівнянні з використанням двох або кількох окремих мікросхем.

Сучасні технологічні можливості мають декілька варіантів для підтримки проектних рішень із кілько­ма кристалами, починаючи від стандартних 2D кор­пусів до розширених 2.5D і складних 3D корпусів. Насправді немає єдиного корпусу, який би був опти­мальним для всіх типів нових ІМС з різними функція­ми та призначенням. Вибір, як правило, ґрунтується на цілях проєкту, а також витратах на розробку. У цій статті автором аналізується декілька найновіших ти­пів корпусів багато кристальних ІМС або модулів з урахуванням технології, яка підтримує процес про- єктування кінцевого виробу на базі цих корпусів.

Чотири основні вдосконалені типи корпусів мікросхем. Сучасний напрямок у системному про- єктуванні являє собою створення у нових корпусах багатокристальних модулів на основі невеликих чі- пів. Це, по суті, невеликі чіпи, які спеціально розроб­лені для об’єднання у великі і складні ІМС. Такі мік­росхеми містять функціональні схемні вузли, які на­зиваються малими кристалами або чіплетами, і ін­тегровані багатокристальні модулі. Типи корпусів розрізняються за щільністю та складністю.

На рис. 1 показано основні типи корпусів, а також розглянуті їхні переваги та недоліки для різних за­стосувань.

Рис. 1. Чотири типи корпусів для багатокристальних ІМС

Корпус з органічною підкладкою. Ці багатокристальні ІМС мають найменшу кількість можливих з’єднань. Вони являють собою двомірний стандарт­ний корпус, є відносно недорогими і мають на сьо­годні широке використання. Ці модулі підтримують функції тестування з недорогим скринінгом рівня пластини для завідомо справного кристала, але функції тестування та ремонту несправних з’єднань у цих ІМС, як правило, відсутні. Органічні підкладки також відзначаються хорошим розсіюванням тепла, низьким викривленням і можливістю великої інтег­рації кристалів без суттєвих технологічних обме­жень.

Корпус з кріпленням кристалів компаундом з перерозподілом шарів – RDL Fan Out. Ця кон­струкція корпусу не набула широкого поширення, відносно нові корпуси типу RDL fan-out забезпе­чують щільність, подібну до щільності багатокри- стальних ІМС з вбудованими BGA виводами, але мають меншу складністю та меншу вартість. Це вдосконалений тип корпусу, який об’єднує кілька кристалів, що забезпечує кращу продуктивність і більше операцій вводу-виводу для різноманітних IoT, мережевих і обчислювальних застосувань. У цьому корпусі з’єднувальні провідники можуть бути направлені всередину та назовні. Це дозволяє ство­рювати тонкі корпуси з великою кількістю операцій вводу-виводу.

Багатокристальний модуль з проміжним кремнієвим кристалом з BGA виводами. У крем­нієвому проміжному модулі міститься з’єднуваль­ний кристал, який називається інтерпозером. Цей тип корпусу 2.5D забезпечує щільне з’єднання за допомогою спеціальних мікровиступів – технології вертикального з’єднання для складених кристалів. Через складну збірку цього типу корпусів, а також через вплив технологічних мікронерівностей існує проблема з забезпеченням необхідної продуктив­ності.

Постачальники корпусів вирішують це за допо­могою заходів із забезпечення якості, а також меха­нізмів тестування та ремонту в міжкристальному ін­терфейсі. Кремнієві інтерпозери можуть мати тисячі паралельних ліній зв’язку, і ці лінії розроблені з мож­ливістю перевірки надійного підключення, визна­чення наявності розриву та перенаправлення зв’яз­ку за потреби.

Наприклад, якщо інтерфейс має 1000 ліній зв’яз­ку, є можливість закласти у з’єднувальний кристал таких ліній на 10% більше, наприклад, 1100, забез­печуючи надлишковість для перемаршрутизації сигналів у разі виникнення відмов. Однак із крем­нієвими проміжними елементами у такому корпусі важко екранувати окремі кристали. Крім того, цей тип корпусу має знижене у порівнянні з іншими кор­пусами розсіювання тепла.

Корпус з гібридним з’єднанням. Тип триви­мірного корпусу який забезпечує найвищу щільність разом із високою енергоефективністю. В ньому іс­нують наскрізні кремнієві переходи для підключен- ня. Завдяки двом кристалам, з’єднаним разом і пра­цюючим як одне ціле, немає необхідності витрати енергії під час керування каналами, а потужність кожного каналу вводу-виводу можна зменшити за потреби. Порівняно з інтерпозерами, корпус з гіб­ридним з’єднанням зараз представляє більшу складність і вартість. Він ідеально підходить для та­ких застосувань, як системи з штучним інтелектом, які потребують значних можливостей обробки даних разом із малою затримкою сигналів. Розташування пам’яті над процесором у такому корпусі забезпе­чує необхідну продуктивність і мінімально можливу затримку.

У минулому розробники спочатку проєктували свою систему на кристалі (SoC), а потім займалися розробкою корпусу. Сьогодні – це вже застарілий підхід. Проєкт сучасної системи на кристалі (SiP) по­лягає в одночасному об’єднанні усіх складових, а саме системи як структури, архітектури і принципо­вої схеми, відповідних кристалів для реалізації си­стеми та оптимальної конструкції корпусу. Деякі елементи такого підходу розглянемо далі.

Інтерфейс die–to–die або міжкристальний ін­терфейс багатокристального модуля. Це неве­ликий вузол, який забезпечує зв’язок між двома або більше кристалами, розташованими в одному кор­пусі. Інтерфейс потрібно розробляти для кожного конкретного типу корпуса.

Наприклад, проміжний інтерфейсний вузол або інтерпозер не призначений для підтримки високих швидкостей обміну даними між кристалами, а висо- кошвидкісний IP-інтерфейс між кристалами підтри­мує високу швидкість передачі даних. Подібним чи­ном характеристики каналів передачі даних є кра­щими в корпусах з органічною підкладкою.

Індустрія міжкристальних інтерфейсів (die-to- die) відносно молода, багато розроблених інтер­фейсів запатентовано, що обмежує їх використання іншими розробниками. Тому використання стан­дартних IP-інтерфейсів є більш привабливим для використання у нових розробках. Чотири різних об’єднання підтримують п’ять системних стандартів для сучасних корпусів ІМС:

• ИСО-OIFвідповідає за стандарт XSRзі швидкі­стю передачі даних 112Гб/224Гб для корпусів 2D, призначених для оптичних мереж

CHIPS ALLIANCE відповідає за стандарт AIB, який підтримує швидкість передачі даних 6G для пе­ремикання кристалів у корпусі, зазвичай призначе­них для на систем mil-aero

• UniversalChipletInterconnectExpressвизначає вимоги до корпусів 2D, 2.5Dбагатокристальних мо­дулів з швидкістю передачі даних 16Гб/32Гб.
• OpenComputeвідповідає за стандарти BOWі OHBI, обидва визначені для корпусів Dі 2.5Dз швид­кістю передачі даних 8Гб/16Гб.

З часом деякі з цих стандартів можуть стати менш актуальними на основі потреб ринку. На думку автора, стандарт Universal Chiplet (UCIe) має можли­вість у майбутньому стати універсальним для інтер­фейсів die-to-die. Підтримуючи необхідні параметри щодо обміну даними, він охоплює найбільш широ­кий спектр використання, а також усі типи сучасних корпусів для багатокристальних системних про- єктів. Завдяки підтримці швидкості передачі даних до 32 Гбіт/с на один контакт стандарт UCIe також придатний до використаннях і у майбутніх корпусах.

ВИСНОВКИ

Корпуси ІМС з багатьма кристалами на сьогодні забезпечують проєкти з інтенсивних обчислень для суперкомп’ютерів і систем з штучним інтелектом та підтримують високу продуктивність практично без підвищення вартості системи. Інновації в техноло­гіях корпусів багатокристальних модулів, а також нові інтерфейси, що базуються на діючих стандар­тах, дають змогу корпусам із кількома кристалами надійно працювати у високопродуктивних обчислю­вальних системах. Передові технології корпусів ІМС є лише одним із прикладів безперервних інновацій в мікроелектронній галузі, викликаних зростаючою складністю сучасних систем.