Obudowy półprzewodników ewoluowały od tradycyjnych projektów 1D PCB do najnowocześniejszych hybrydowych połączeń 3D na poziomie płytek. Ten postęp umożliwia odstępy między połączeniami w zakresie mikronów jednocyfrowych, z przepustowością do 1000 GB/s, przy zachowaniu wysokiej efektywności energetycznej. Podstawą zaawansowanych technologii obudów półprzewodników są obudowy 2,5D (gdzie komponenty są umieszczane obok siebie na warstwie pośredniej) i obudowy 3D (które obejmują pionowe układanie aktywnych chipów). Technologie te są kluczowe dla przyszłości systemów HPC.
Technologia pakowania 2.5D obejmuje różne materiały warstw pośrednich, z których każdy ma swoje zalety i wady. Warstwy pośrednie krzemu (Si), w tym w pełni pasywne wafle krzemowe i zlokalizowane mostki krzemowe, są znane z zapewniania najlepszych możliwości okablowania, co czyni je idealnymi do obliczeń o wysokiej wydajności. Są jednak kosztowne pod względem materiałów i produkcji oraz napotykają ograniczenia w obszarze pakowania. Aby złagodzić te problemy, zwiększa się wykorzystanie zlokalizowanych mostków krzemowych, strategicznie wykorzystując krzem, gdzie precyzyjna funkcjonalność ma kluczowe znaczenie, jednocześnie zajmując się ograniczeniami obszaru.
Organiczne warstwy pośrednie, wykorzystujące rozgałęzione formowane tworzywa sztuczne, są bardziej opłacalną alternatywą 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 funkcji połączeń jak obudowy oparte na krzemie, co ogranicza ich adopcję w zastosowaniach obliczeniowych o wysokiej wydajności.
Szklane warstwy pośrednie wzbudziły duże zainteresowanie, 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 wspierania 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 zdolności produkcyjnych na dużą skalę. W miarę dojrzewania ekosystemu i poprawy zdolności produkcyjnych, technologie oparte na szkle w opakowaniach półprzewodników mogą odnotować dalszy wzrost i przyjęcie.
Jeśli chodzi o technologię pakowania 3D, hybrydowe wiązanie Cu-Cu bez wybrzuszeń staje się wiodącą innowacyjną technologią. Ta zaawansowana technika osiąga trwałe połączenia poprzez łączenie materiałów dielektrycznych (takich jak SiO2) z osadzonymi metalami (Cu). Hybrydowe wiązanie Cu-Cu może osiągnąć odstępy poniżej 10 mikronów, zazwyczaj w zakresie mikronów jednocyfrowych, co stanowi znaczną poprawę w porównaniu z tradycyjną technologią mikro-wybrzuszeń, która ma odstępy między wybrzuszeniami wynoszące około 40-50 mikronów. Zalety hybrydowego wiązania obejmują zwiększone I/O, zwiększoną przepustowość, ulepszone pionowe układanie w stosy 3D, lepszą wydajność energetyczną oraz zmniejszone efekty pasożytnicze i odporność termiczną ze względu na brak wypełnienia dna. Jednak technologia ta jest skomplikowana w produkcji i ma wyższe koszty.
Technologie pakowania 2.5D i 3D obejmują różne techniki pakowania. W przypadku pakowania 2.5D, w zależności od wyboru materiałów warstwy pośredniej, można je podzielić na warstwy pośrednie na bazie krzemu, na bazie organicznej i na bazie szkła, jak pokazano na powyższym rysunku. W przypadku pakowania 3D rozwój technologii mikrowypukłości ma na celu zmniejszenie wymiarów odstępu, ale obecnie, dzięki przyjęciu technologii łączenia hybrydowego (metoda bezpośredniego połączenia Cu-Cu), można osiągnąć jednocyfrowe wymiary odstępu, co oznacza znaczny postęp w tej dziedzinie.
**Kluczowe trendy technologiczne, na które warto zwrócić uwagę:**
1. **Większe obszary warstw pośrednich:** IDTechEx wcześniej przewidziało, że ze względu na trudności związane z warstwami pośrednimi krzemu przekraczającymi limit rozmiaru siatki 3x, rozwiązania mostków krzemowych 2.5D wkrótce zastąpią warstwy pośrednie krzemu jako główny wybór do pakowania układów HPC. TSMC jest głównym dostawcą warstw pośrednich krzemu 2.5D dla NVIDIA i innych wiodących deweloperów HPC, takich jak Google i Amazon, a firma niedawno ogłosiła masową produkcję swojego CoWoS_L pierwszej generacji z rozmiarem siatki 3.5x. IDTechEx spodziewa się, że ten trend się utrzyma, a dalsze postępy omówiono w raporcie obejmującym głównych graczy.
2. **Pakowanie na poziomie panelu:** Pakowanie na poziomie panelu stało się istotnym punktem zainteresowania, co podkreślono na Taiwan International Semiconductor Exhibition 2024. Ta metoda pakowania umożliwia stosowanie większych warstw pośrednich i pomaga obniżyć koszty poprzez jednoczesną produkcję większej liczby opakowań. Pomimo swojego potencjału, wyzwania takie jak zarządzanie odkształceniami nadal muszą zostać rozwiązane. Jej rosnąca popularność odzwierciedla rosnący popyt na większe, bardziej ekonomiczne warstwy pośrednie.
3. **Szklane warstwy pośrednie:** Szkło wyłania się jako silny materiał kandydacki do uzyskania cienkiego okablowania, porównywalnego z krzemem, z dodatkowymi zaletami, takimi jak regulowany współczynnik CTE i wyższa niezawodność. Szklane warstwy pośrednie są również kompatybilne z opakowaniami na poziomie panelu, oferując potencjał okablowania o dużej gęstości przy bardziej przystępnych kosztach, co czyni je obiecującym rozwiązaniem dla przyszłych technologii pakowania.
4. **Hybrydowe wiązanie HBM:** hybrydowe wiązanie 3D miedź-miedź (Cu-Cu) jest kluczową technologią umożliwiającą osiągnięcie ultradrobnych pionowych połączeń między chipami. Technologia ta została wykorzystana w różnych produktach serwerowych high-end, w tym AMD EPYC do układania w stosy pamięci SRAM i procesorów, a także w serii MI300 do układania bloków procesorów CPU/GPU na matrycach I/O. Oczekuje się, że hybrydowe wiązanie odegra kluczową rolę w przyszłych postępach HBM, zwłaszcza w przypadku stosów pamięci DRAM przekraczających 16-Hi lub 20-Hi.
5. **Współpakowane urządzenia optyczne (CPO):** Wraz ze wzrostem zapotrzebowania na większą przepustowość danych i wydajność energetyczną technologia połączeń optycznych zyskała znaczną uwagę. Współpakowane urządzenia optyczne (CPO) stają się kluczowym rozwiązaniem zwiększającym przepustowość wejścia/wyjścia i zmniejszającym zużycie energii. W porównaniu z tradycyjną transmisją elektryczną komunikacja optyczna oferuje kilka 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 intensywnie przetwarzających dane.
**Kluczowe rynki, które warto obserwować:**
Podstawowym rynkiem napędzającym rozwój technologii pakowania 2.5D i 3D jest niewątpliwie sektor wysokowydajnych obliczeń (HPC). Te zaawansowane metody pakowania są kluczowe dla przezwyciężenia ograniczeń prawa Moore'a, umożliwiając więcej tranzystorów, pamięci i połączeń w jednym pakiecie. Rozkład układów scalonych umożliwia również optymalne wykorzystanie węzłów procesowych między różnymi blokami funkcjonalnymi, takimi jak oddzielanie bloków I/O od bloków przetwarzania, co dodatkowo zwiększa wydajność.
Oprócz obliczeń o wysokiej wydajności (HPC) oczekuje się również wzrostu na innych rynkach dzięki przyjęciu zaawansowanych technologii pakowania. W sektorach 5G i 6G innowacje, takie jak anteny pakujące i najnowocześniejsze rozwiązania chipowe, będą kształtować przyszłość architektur sieci dostępu bezprzewodowego (RAN). Pojazdy autonomiczne również skorzystają, ponieważ technologie te obsługują 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 i stacje robocze) coraz bardziej koncentruje się na przetwarzaniu większej ilości danych w mniejszych przestrzeniach, pomimo większego nacisku na koszty. Zaawansowane opakowania półprzewodnikowe odegrają kluczową rolę w tym trendzie, chociaż metody pakowania mogą różnić się od tych stosowanych w HPC.
Czas publikacji: 07-10-2024