Marvell | 異構(gòu)集成的技術(shù)路線圖

逍遙設(shè)計自動化 · 發(fā)表于前天 08:00

引言
半導(dǎo)體行業(yè)長期依賴技術(shù)路線圖來指導(dǎo)其發(fā)展并促進合作。這一傳統(tǒng)始于1993年的美國國家半導(dǎo)體技術(shù)路線圖（NTRS），后來演變?yōu)閲H半導(dǎo)體技術(shù)路線圖（ITRS）。如今，隨著進入半導(dǎo)體技術(shù)的新時代，異構(gòu)集成路線圖（HIR）成為焦點，應(yīng)對將多樣化組件集成到統(tǒng)一系統(tǒng)中的挑戰(zhàn)和機遇[1]。

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技術(shù)路線圖的演變
半導(dǎo)體技術(shù)路線圖的旅程始于戈登·摩爾博士在德克薩斯州歐文組織的一次富有遠見的研討會。這次活動匯集了179位技術(shù)專家，共同創(chuàng)造了行業(yè)未來的愿景。1993年發(fā)布的NTRS成為第一個開源半導(dǎo)體技術(shù)路線圖。

圖1：展示AMD的3.5D 封裝。

隨著行業(yè)全球化，NTRS擴展為包括國際合作的ITRS，始于1998年。這項全球努力持續(xù)到2016年，ITRS的最后一版發(fā)布。認識到持續(xù)合作的重要性，ITRS的異構(gòu)集成團隊決定繼續(xù)推進路線圖工作，聚焦于摩爾定律進展的下一個時代和電子技術(shù)復(fù)興。

理解異構(gòu)集成
異構(gòu)集成指將不同組件組裝成更高級系統(tǒng)。這種方法包括多個方面：

材料：集成具有不同特性的材料。

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

線路類型：整合DRAM、Serdes、邏輯、射頻和電源線路。

硅節(jié)點：集成來自不同工藝技術(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Chiplet堆疊在有源中間層上。

HIR涵蓋廣泛主題，組織成幾個關(guān)鍵領(lǐng)域：

集成過程

異構(gòu)集成組件

系統(tǒng)和市場應(yīng)用

跨領(lǐng)域主題
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這些領(lǐng)域進一步分為23個章節(jié)，涵蓋從單芯片集成到新興研究材料和安全考慮的各個方面。

圖3：顯示異構(gòu)集成路線圖的結(jié)構(gòu)，展示其各個章節(jié)和重點領(lǐng)域。

異構(gòu)集成的挑戰(zhàn)和機遇
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。

圖4：顯示異構(gòu)集成系統(tǒng)的可靠性浴盆曲線，說明多個競爭性失效模式。

為應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，行業(yè)正在開發(fā)新的方法來管理可靠性。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。目標是創(chuàng)建"數(shù)字孿生"——物理系統(tǒng)的虛擬表示，可以預(yù)測和管理產(chǎn)品整個生命周期的可靠性。

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。

HIR概述了未來15年可靠性進展的路線圖：

1-5年：開發(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)計和預(yù)測健康管理（PHM）創(chuàng)建融合方法，關(guān)注容錯和彈性設(shè)計。

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，包括自我認知和自我修復(fù)系統(tǒng)。
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熱管理：關(guān)鍵挑戰(zhàn)
隨著系統(tǒng)集成度越來越高，熱管理變得越來越重要。HIR確定了熱技術(shù)進步的幾個關(guān)鍵領(lǐng)域：

熱界面材料：開發(fā)更高效的材料用于組件間的熱傳遞。

高性能計算多芯片模塊的系統(tǒng)熱限制：推動高性能計算應(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冷卻技術(shù)。

先進熱材料：研究具有優(yōu)異熱性能的新材料。

熱機械建模：開發(fā)更好的工具來預(yù)測和管理異構(gòu)系統(tǒng)中的熱應(yīng)力。
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圖6：概述了異構(gòu)集成的先進熱技術(shù)和研究領(lǐng)域。

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

布局和布線

架構(gòu)

電磁和電氣考慮

熱管理

智能材料

測試和可靠性

機械考慮
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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，說明異構(gòu)集成中協(xié)同設(shè)計的復(fù)雜性。

協(xié)同設(shè)計方法需要大量基礎(chǔ)設(shè)施和研究支持。大學(xué)在通過研究和人才培養(yǎng)推動該領(lǐng)域發(fā)展方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。此外，開源工具和行業(yè)標準等共享資源對促進合作和創(chuàng)新極為重要。
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結(jié)論
異構(gòu)集成代表半導(dǎo)體技術(shù)的新前沿。通過結(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、制造和可靠性方面帶來新的挑戰(zhàn)。

異構(gòu)集成路線圖為行業(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，整個生態(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。

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參考文獻
[1] R. Rao, "Heterogeneous Integration Roadmap," presented at CMSE 2024, May 1, 2024.

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