Marvell | 異構(gòu)集成的技術(shù)路線(xiàn)圖

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

引言
4 j9 G- [9 h- r+ \半導(dǎo)體行業(yè)長(zhǎng)期依賴(lài)技術(shù)路線(xiàn)圖來(lái)指導(dǎo)其發(fā)展并促進(jìn)合作。這一傳統(tǒng)始于1993年的美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體技術(shù)路線(xiàn)圖（NTRS），后來(lái)演變?yōu)閲?guó)際半導(dǎo)體技術(shù)路線(xiàn)圖（ITRS）。如今，隨著進(jìn)入半導(dǎo)體技術(shù)的新時(shí)代，異構(gòu)集成路線(xiàn)圖（HIR）成為焦點(diǎn)，應(yīng)對(duì)將多樣化組件集成到統(tǒng)一系統(tǒng)中的挑戰(zhàn)和機(jī)遇[1]。

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' I* Q" Y: U+ q& o技術(shù)路線(xiàn)圖的演變
  K; T+ h" l3 S# P半導(dǎo)體技術(shù)路線(xiàn)圖的旅程始于戈登·摩爾博士在德克薩斯州歐文組織的一次富有遠(yuǎn)見(jiàn)的研討會(huì)。這次活動(dòng)匯集了179位技術(shù)專(zhuān)家，共同創(chuàng)造了行業(yè)未來(lái)的愿景。1993年發(fā)布的NTRS成為第一個(gè)開(kāi)源半導(dǎo)體技術(shù)路線(xiàn)圖。

圖1：展示AMD的3.5D 封裝。
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5 o7 `: B+ o. j) |* ~7 S+ F1 u隨著行業(yè)全球化，NTRS擴(kuò)展為包括國(guó)際合作的ITRS，始于1998年。這項(xiàng)全球努力持續(xù)到2016年，ITRS的最后一版發(fā)布。認(rèn)識(shí)到持續(xù)合作的重要性，ITRS的異構(gòu)集成團(tuán)隊(duì)決定繼續(xù)推進(jìn)路線(xiàn)圖工作，聚焦于摩爾定律進(jìn)展的下一個(gè)時(shí)代和電子技術(shù)復(fù)興。
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理解異構(gòu)集成
" ^- H) o* a7 Z: z# U. u異構(gòu)集成指將不同組件組裝成更高級(jí)系統(tǒng)。這種方法包括多個(gè)方面：

材料：集成具有不同特性的材料。

組件類(lèi)型：結(jié)合集成電路、光電子技術(shù)、微機(jī)電系統(tǒng)和傳感器。

線(xiàn)路類(lèi)型：整合DRAM、Serdes、邏輯、射頻和電源線(xiàn)路。

硅節(jié)點(diǎn)：集成來(lái)自不同工藝技術(shù)的組件。

鍵合和互連方法：利用各種技術(shù)連接組件。
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圖2：展示了復(fù)雜的異構(gòu)集成例子，顯示多個(gè)Chiplet堆疊在有源中間層上。

HIR涵蓋廣泛主題，組織成幾個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域：

集成過(guò)程

異構(gòu)集成組件

系統(tǒng)和市場(chǎng)應(yīng)用

跨領(lǐng)域主題
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: F' `+ ~9 S- U4 @, `7 s5 v4 K這些領(lǐng)域進(jìn)一步分為23個(gè)章節(jié)，涵蓋從單芯片集成到新興研究材料和安全考慮的各個(gè)方面。

% `# [, a5 S6 L圖3：顯示異構(gòu)集成路線(xiàn)圖的結(jié)構(gòu)，展示其各個(gè)章節(jié)和重點(diǎn)領(lǐng)域。

異構(gòu)集成的挑戰(zhàn)和機(jī)遇
隨著行業(yè)向更復(fù)雜的集成系統(tǒng)發(fā)展，新的挑戰(zhàn)出現(xiàn)。最關(guān)鍵的領(lǐng)域之一是可靠性。異構(gòu)集成引入了新的多尺度芯片封裝相互作用和多物理失效模式，需要解決。
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( I; Y8 D% a2 x" P1 S  C. O圖4：顯示異構(gòu)集成系統(tǒng)的可靠性浴盆曲線(xiàn)，說(shuō)明多個(gè)競(jìng)爭(zhēng)性失效模式。
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" c8 ~; }7 k  E. z* ?; ]為應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，行業(yè)正在開(kāi)發(fā)新的方法來(lái)管理可靠性。這些方法結(jié)合了自下而上的物理模型和自上而下的大數(shù)據(jù)分析。目標(biāo)是創(chuàng)建"數(shù)字孿生"——物理系統(tǒng)的虛擬表示，可以預(yù)測(cè)和管理產(chǎn)品整個(gè)生命周期的可靠性。
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圖5：展示了管理可靠性的"數(shù)字孿生"概念，顯示自下而上和自上而下方法的融合。

- ]" |  Y$ R. H2 p! L, oHIR概述了未來(lái)15年可靠性進(jìn)展的路線(xiàn)圖：

1-5年：開(kāi)發(fā)多物理融合方法用于可靠性保證，結(jié)合基于物理和機(jī)器學(xué)習(xí)的工具。

5-10年：為下一代穩(wěn)健HI系統(tǒng)的協(xié)同設(shè)計(jì)和預(yù)測(cè)健康管理（PHM）創(chuàng)建融合方法，關(guān)注容錯(cuò)和彈性設(shè)計(jì)。

10-15年：發(fā)展到具有集成自主生命周期管理能力的智能、自適應(yīng)和可重構(gòu)產(chǎn)品，包括自我認(rèn)知和自我修復(fù)系統(tǒng)。
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& F0 A' ~6 t* S& J0 _6 G熱管理：關(guān)鍵挑戰(zhàn)
隨著系統(tǒng)集成度越來(lái)越高，熱管理變得越來(lái)越重要。HIR確定了熱技術(shù)進(jìn)步的幾個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域：

熱界面材料：開(kāi)發(fā)更高效的材料用于組件間的熱傳遞。

高性能計(jì)算多芯片模塊的系統(tǒng)熱限制：推動(dòng)高性能計(jì)算應(yīng)用的冷卻邊界。

嵌入式液體冷卻：探索芯片和芯片堆疊的先進(jìn)冷卻技術(shù)。

先進(jìn)熱材料：研究具有優(yōu)異熱性能的新材料。

熱機(jī)械建模：開(kāi)發(fā)更好的工具來(lái)預(yù)測(cè)和管理異構(gòu)系統(tǒng)中的熱應(yīng)力。
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+ w! F9 v7 h/ \圖6：概述了異構(gòu)集成的先進(jìn)熱技術(shù)和研究領(lǐng)域。

協(xié)同設(shè)計(jì)：整體方法
為充分實(shí)現(xiàn)異構(gòu)集成的潛力，協(xié)同設(shè)計(jì)方法不可或缺。這種方法同時(shí)考慮系統(tǒng)設(shè)計(jì)的各個(gè)方面，包括：

布局和布線(xiàn)

架構(gòu)

電磁和電氣考慮

熱管理

智能材料

測(cè)試和可靠性

機(jī)械考慮
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圖7：顯示多尺度和多物理芯片封裝相互作用（CPI）流程，說(shuō)明異構(gòu)集成中協(xié)同設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。

協(xié)同設(shè)計(jì)方法需要大量基礎(chǔ)設(shè)施和研究支持。大學(xué)在通過(guò)研究和人才培養(yǎng)推動(dòng)該領(lǐng)域發(fā)展方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。此外，開(kāi)源工具和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等共享資源對(duì)促進(jìn)合作和創(chuàng)新極為重要。
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6 S/ Q1 |; J* T" E8 o* }9 u3 N5 \- P結(jié)論
+ |' }- A$ N% G! }; L! A0 p異構(gòu)集成代表半導(dǎo)體技術(shù)的新前沿。通過(guò)結(jié)合多樣化的組件和技術(shù)，可以提供高性能和功能。然而，這種方法也在設(shè)計(jì)、制造和可靠性方面帶來(lái)新的挑戰(zhàn)。
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異構(gòu)集成路線(xiàn)圖為行業(yè)提供指導(dǎo)，概述關(guān)鍵研究領(lǐng)域和技術(shù)里程碑。未來(lái)，整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的合作——從材料供應(yīng)商到系統(tǒng)集成商——將是成功的關(guān)鍵。


參考文獻(xiàn)
; c6 \: p7 r- u0 M9 {[1] R. Rao, "Heterogeneous Integration Roadmap," presented at CMSE 2024, May 1, 2024.

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