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引言0 y+ ` Y) ?- I+ S& ^
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(jìn)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(jìn)入半導(dǎo)體技術(shù)的新時(shí)代,異構(gòu)集成路線圖(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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技術(shù)路線圖的演變
' A7 H" ?' ?# ~ @' ~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(yuǎn)見的研討會(huì)。這次活動(dòng)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(gè)開源半導(dǎo)體技術(shù)路線圖。
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. Y7 w' u7 [. V圖1:展示AMD的3.5D 封裝。7 S5 @+ H# I0 y6 N. T4 J3 a6 Z& M
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隨著行業(yè)全球化,NTRS擴(kuò)展為包括國際合作的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。+ Z! H( h' m7 u4 [1 m
( c' S* x- g5 d) z% R理解異構(gòu)集成
6 O3 v) L/ ]& K2 G8 Z' ^1 ]) J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。線路類型:整合DRAM、Serdes、邏輯、射頻和電源線路。硅節(jié)點(diǎn):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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5 X8 Q( t( ^ `8 K" _6 O& K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。
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, n, l4 z. `& k6 A/ tHIR涵蓋廣泛主題,組織成幾個(gè)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
* D# N: M- I# C2 O5 u, E: \[/ol]
$ U9 V9 b8 A% p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。
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圖3:顯示異構(gòu)集成路線圖的結(jié)構(gòu),展示其各個(gè)章節(jié)和重點(diǎn)領(lǐng)域。
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異構(gòu)集成的挑戰(zhàn)和機(jī)遇9 J9 x+ }" t6 X& B' a, R* o
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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圖4:顯示異構(gòu)集成系統(tǒng)的可靠性浴盆曲線,說明多個(gè)競爭性失效模式。$ z) O$ q& ?5 R1 ~
( h5 x2 O h$ t9 W7 e0 n T5 ~
為應(yīng)對(duì)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(biāo)是創(chuàng)建"數(shù)字孿生"——物理系統(tǒng)的虛擬表示,可以預(yù)測和管理產(chǎn)品整個(gè)生命周期的可靠性。
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$ i* G6 r* D2 c7 k% a5 {/ z4 ~, l* G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。8 V$ I7 Z1 |9 j
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HIR概述了未來15年可靠性進(jìn)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(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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$ i& L7 `4 t4 C z3 N3 `8 q熱管理:關(guān)鍵挑戰(zhàn)
! V6 E: R& _7 Z& M8 J" f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(jìn)步的幾個(gè)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(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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, E" f) p) t) ^" h# m; @; |; L圖6:概述了異構(gòu)集成的先進(jìn)熱技術(shù)和研究領(lǐng)域。
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; I7 C, M5 x k協(xié)同設(shè)計(jì):整體方法
& S7 _/ X6 I# X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:布局和布線架構(gòu)電磁和電氣考慮熱管理智能材料測試和可靠性機(jī)械考慮5 q2 T/ p) n. m
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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(jì)的復(fù)雜性。( N0 w# F9 G4 r2 U% ^9 d; h
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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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" M. [1 d" J9 H3 W結(jié)論
( K5 L( w0 U$ o6 f7 V S9 D, T6 h( y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(jì)、制造和可靠性方面帶來新的挑戰(zhàn)。
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+ u1 W+ r- _4 r! k/ l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(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。# m0 f# k: P& z+ M! A' v% K, L
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參考文獻(xiàn)
% l& p4 X& A8 _8 m9 A& c" r5 X[1] R. Rao, "Heterogeneous Integration Roadmap," presented at CMSE 2024, May 1, 2024.
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- END -2 G6 m" e4 N, R/ Q2 ^- b+ d: h, y
, V! d! |' E. u- e7 Z軟件申請(qǐng)我們歡迎化合物/硅基光電子芯片的研究人員和工程師申請(qǐng)?bào)w驗(yàn)免費(fèi)版PIC Studio軟件。無論是研究還是商業(yè)應(yīng)用,PIC Studio都可提升您的工作效能。( W0 V: o& H% ?! ^
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6 Z3 j+ x# } r2 ^ v: d深圳逍遙科技有限公司(Latitude Design Automation Inc.)是一家專注于半導(dǎo)體芯片設(shè)計(jì)自動(dòng)化(EDA)的高科技軟件公司。我們自主開發(fā)特色工藝芯片設(shè)計(jì)和仿真軟件,提供成熟的設(shè)計(jì)解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio,分別針對(duì)光電芯片、微機(jī)電系統(tǒng)、超透鏡的設(shè)計(jì)與仿真。我們提供特色工藝的半導(dǎo)體芯片集成電路版圖、IP和PDK工程服務(wù),廣泛服務(wù)于光通訊、光計(jì)算、光量子通信和微納光子器件領(lǐng)域的頭部客戶。逍遙科技與國內(nèi)外晶圓代工廠及硅光/MEMS中試線合作,推動(dòng)特色工藝半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展,致力于為客戶提供前沿技術(shù)與服務(wù)。
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