Obudowy półprzewodników ewoluowały od tradycyjnych projektów 1D PCB do najnowocześniejszych hybrydowych połączeń 3D na poziomie wafli. Ten postęp pozwala na uzyskanie odstępów między elementami rzędu mikronów, z przepustowością do 1000 GB/s, przy jednoczesnym zachowaniu wysokiej efektywności energetycznej. Podstawą zaawansowanych technologii obudów półprzewodników są obudowy 2,5D (gdzie komponenty są umieszczone obok siebie na warstwie pośredniej) oraz obudowy 3D (polegające na pionowym układaniu aktywnych układów). Technologie te mają kluczowe znaczenie dla przyszłości systemów HPC.
Technologia pakowania 2.5D obejmuje różne materiały warstw pośrednich, z których każdy ma swoje zalety i wady. Warstwy pośrednie z krzemu (Si), w tym w pełni pasywne płytki krzemowe i zlokalizowane mostki krzemowe, znane są z zapewniania najlepszych możliwości okablowania, co czyni je idealnymi do obliczeń o wysokiej wydajności. Są one jednak kosztowne pod względem materiałów i produkcji oraz borykają się z ograniczeniami w zakresie powierzchni obudowy. Aby złagodzić te problemy, rośnie wykorzystanie zlokalizowanych mostków krzemowych, strategicznie wykorzystując krzem tam, gdzie precyzja wykonania ma kluczowe znaczenie, a jednocześnie uwzględnia ograniczenia powierzchni.
Organiczne warstwy pośrednie, wykorzystujące formowane wtryskowo tworzywa sztuczne, stanowią tańszą alternatywę dla krzemu. Mają niższą stałą dielektryczną, co zmniejsza opóźnienie RC w obudowie. Pomimo tych zalet, organiczne warstwy pośrednie mają trudności z osiągnięciem takiego samego poziomu redukcji połączeń międzysystemowych, jak obudowy krzemowe, co ogranicza ich zastosowanie w zastosowaniach komputerów o wysokiej wydajności.
Szklane warstwy pośrednie cieszą się dużym zainteresowaniem, zwłaszcza po niedawnym wprowadzeniu przez firmę Intel szklanych opakowań pojazdów testowych. Szkło oferuje szereg zalet, takich jak regulowany współczynnik rozszerzalności cieplnej (CTE), wysoka stabilność wymiarowa, gładkie i płaskie powierzchnie oraz możliwość wspomagania produkcji paneli, co czyni je obiecującym kandydatem na warstwy pośrednie o możliwościach okablowania porównywalnych z krzemem. Jednak, poza wyzwaniami technicznymi, główną wadą szklanych warstw pośrednich jest niedojrzały ekosystem i obecny brak możliwości produkcji na dużą skalę. Wraz z dojrzewaniem ekosystemu i poprawą możliwości produkcyjnych, technologie oparte na szkle w obudowach półprzewodników mogą cieszyć się dalszym rozwojem i upowszechnieniem.
W zakresie technologii pakowania 3D, hybrydowe łączenie Cu-Cu bez wybrzuszeń staje się wiodącą innowacyjną technologią. Ta zaawansowana technika pozwala na uzyskanie trwałych połączeń poprzez połączenie materiałów dielektrycznych (takich jak SiO2) z osadzonymi metalami (Cu). Hybrydowe łączenie Cu-Cu pozwala na uzyskanie odstępów poniżej 10 mikronów, zazwyczaj rzędu mikronów, co stanowi znaczną poprawę w porównaniu z tradycyjną technologią mikrowybrzuszeń, w której odstępy między wybrzuszeniami wynoszą około 40-50 mikronów. Zalety hybrydowego łączenia obejmują zwiększoną przepustowość, zwiększoną przepustowość, ulepszone pionowe układanie warstwowe 3D, lepszą efektywność energetyczną oraz mniejsze efekty pasożytnicze i odporność termiczną dzięki braku wypełnienia od spodu. Technologia ta jest jednak skomplikowana w produkcji i droższa.
Technologie pakowania 2,5D i 3D obejmują różne techniki pakowania. W przypadku opakowań 2,5D, w zależności od wyboru materiałów warstw pośrednich, można je podzielić na warstwy pośrednie na bazie krzemu, organiczne i szklane, jak pokazano na powyższym rysunku. W przypadku opakowań 3D, rozwój technologii mikrowypukłości ma na celu zmniejszenie odległości między warstwami, ale obecnie, dzięki zastosowaniu hybrydowej technologii łączenia (metoda bezpośredniego łączenia Cu-Cu), możliwe jest osiągnięcie jednocyfrowych odległości między warstwami, co stanowi znaczący postęp w tej dziedzinie.
**Kluczowe trendy technologiczne, na które warto zwrócić uwagę:**
1. **Większe powierzchnie warstw pośrednich:** Firma IDTechEx przewidywała wcześniej, że ze względu na trudności związane z przekroczeniem przez krzemowe warstwy pośrednie limitu 3-krotności siatki, krzemowe rozwiązania mostkowe 2,5D wkrótce zastąpią krzemowe warstwy pośrednie jako główny wybór w obudowach układów HPC. TSMC jest głównym dostawcą krzemowych warstw pośrednich 2,5D dla firm NVIDIA i innych wiodących producentów układów HPC, takich jak Google i Amazon, a firma niedawno ogłosiła masową produkcję swojej pierwszej generacji CoWoS_L z 3,5-krotnością siatki. IDTechEx spodziewa się, że ten trend się utrzyma, a dalsze postępy zostaną omówione w raporcie obejmującym głównych graczy.
2. **Opakowania panelowe:** Opakowania panelowe stały się ważnym zagadnieniem, co zostało podkreślone na Międzynarodowych Targach Półprzewodników na Tajwanie w 2024 roku. Ta metoda pakowania pozwala na zastosowanie większych warstw pośrednich i pomaga obniżyć koszty poprzez jednoczesną produkcję większej liczby pakietów. Pomimo swojego potencjału, wciąż istnieją wyzwania, takie jak zarządzanie odkształceniami. Jej rosnące znaczenie odzwierciedla rosnące zapotrzebowanie na większe i bardziej ekonomiczne warstwy pośrednie.
3. **Szklane warstwy pośrednie:** Szkło wyłania się jako solidny materiał do uzyskania cienkich przewodów, porównywalnych z krzemem, z dodatkowymi zaletami, takimi jak regulowany współczynnik rozszerzalności cieplnej (CTE) i wyższa niezawodność. Szklane warstwy pośrednie są również kompatybilne z obudowami na poziomie panelu, oferując potencjał do uzyskania przewodów o dużej gęstości przy niższych kosztach, co czyni je obiecującym rozwiązaniem dla przyszłych technologii pakowania.
4. **Hybrydowe łączenie HBM:** Hybrydowe łączenie 3D miedź-miedź (Cu-Cu) to kluczowa technologia umożliwiająca uzyskanie ultradrobnych pionowych połączeń między układami scalonymi. Technologia ta została wykorzystana w różnych produktach serwerowych wysokiej klasy, w tym w procesorach AMD EPYC do układania w stosy pamięci SRAM i procesorów, a także w serii MI300 do układania bloków CPU/GPU na matrycach I/O. Oczekuje się, że łączenie hybrydowe odegra kluczową rolę w przyszłych postępach w technologii HBM, zwłaszcza w przypadku stosów pamięci DRAM przekraczających 16 lub 20 warstw.
5. **Urządzenia optyczne w obudowach typu co-package (CPO):** Wraz z rosnącym zapotrzebowaniem na wyższą przepustowość danych i energooszczędność, technologia połączeń optycznych zyskała na popularności. Urządzenia optyczne w obudowach typu co-package (CPO) stają się kluczowym rozwiązaniem zwiększającym przepustowość wejścia/wyjścia i zmniejszającym zużycie energii. W porównaniu z tradycyjną transmisją elektryczną, komunikacja optyczna oferuje szereg zalet, w tym niższe tłumienie sygnału na duże odległości, zmniejszoną wrażliwość na przesłuchy i znacznie zwiększoną przepustowość. Te zalety sprawiają, że CPO jest idealnym wyborem dla energochłonnych systemów HPC o dużej intensywności przetwarzania danych.
**Kluczowe rynki, które warto obserwować:**
Głównym rynkiem napędzającym rozwój technologii pakowania 2,5D i 3D jest niewątpliwie sektor obliczeń o wysokiej wydajności (HPC). Te zaawansowane metody pakowania mają kluczowe znaczenie dla pokonania ograniczeń prawa Moore'a, umożliwiając zastosowanie większej liczby tranzystorów, pamięci i połączeń w jednym pakiecie. Dekompozycja układów scalonych pozwala również na optymalne wykorzystanie węzłów procesowych pomiędzy różnymi blokami funkcjonalnymi, na przykład poprzez oddzielenie bloków wejścia/wyjścia od bloków przetwarzania, co dodatkowo zwiększa wydajność.
Oprócz obliczeń o wysokiej wydajności (HPC), oczekuje się również wzrostu na innych rynkach dzięki wdrażaniu zaawansowanych technologii pakowania. W sektorach 5G i 6G innowacje, takie jak anteny pakujące i najnowocześniejsze rozwiązania chipowe, będą kształtować przyszłość architektur bezprzewodowych sieci dostępowych (RAN). Skorzystają na tym również pojazdy autonomiczne, ponieważ technologie te wspierają integrację zestawów czujników i jednostek obliczeniowych w celu przetwarzania dużych ilości danych, zapewniając jednocześnie bezpieczeństwo, niezawodność, kompaktowość, zarządzanie energią i temperaturą oraz opłacalność.
Elektronika użytkowa (w tym smartfony, smartwatche, urządzenia AR/VR, komputery PC i stacje robocze) coraz częściej koncentruje się na przetwarzaniu większej ilości danych w mniejszych przestrzeniach, pomimo większego nacisku na koszty. Zaawansowane obudowy półprzewodnikowe odegrają kluczową rolę w tym trendzie, choć metody ich pakowania mogą różnić się od tych stosowanych w HPC.
Czas publikacji: 07-10-2024