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            章鱼彩票网-Goodbye、主板;Hello、硅互连结构

            admin 2019-10-03 318人围观 ,发现0个评论

            作者:Puneet Gupta和Subramanian S. Iyer都是加利福尼亚大学洛杉矶分校(UCLA)电气工程系的成员。Gupta是核算机工程教授兼副主任,Iyer是出色教授兼Charles P. Reames讲座教授。

            硅互连结构上的裸小芯片将使核算机尺度更细巧、功用更强壮。

            粘合章鱼彩票网-Goodbye、主板;Hello、硅互连结构核算机小芯片的示意图(配图来历:Harry Campbell)

            长期以来,咱们需求一些硬件体系越来越细巧、需求另一些硬件体系越来越巨大,这一直在推进电子产品方面的立异。能够从笔记本电脑、智能手机、智能手表到听戴式设备及其他“隐形”电子产品的开展进程中看到前者。后者界说了当今的商业数据中心,这些耗能大户塞满了世界各地的专用库房。值得重视的是,相同的技能约束了这两个范畴的发展,可是原因不相同。

            咱们以为,元凶巨恶是印刷电路板。而处理办法便是抛弃印刷电路板。

            咱们的研讨标明,印刷电路板能够用构成与其相连的芯片的相同资料(即硅)来替换。此举将带来更细巧更轻盈的体系用于可穿戴设备及其他尺度有限的设备,还能带来功用反常强壮的高功用核算机,它们可将数十台服务器的核算才能整合到一块餐盘巨细的硅圆片上。

            这种全硅技能便是所谓的硅互连结构(silicon-interconnect fabric),让裸芯片能够直接衔接到另一块硅片上的连线。与印刷电路板上的衔接不同,这种结构上芯片之间的连线就跟芯片内的连线相同细微。因而能够完结多得多的芯片间衔接,那些衔接能够在耗能较少的情况下更快地传输数据。

            硅互连结构(Si-IF)供给了一个额定的长处。它是消除现在用于从智能手机到超级核算机各种电子产品的相对巨大、杂乱且难以制作的片上体系(SoC)的绝佳途径。体系规划师能够运用一组更细巧、更易规划、更易制作的小芯片,这些小芯片在Si-IF上严密互连,以替代SoC。这场小芯片革新现已在如火如荼地进行中,AMD、英特尔、英伟达及其他公司在供给先进封装件内拼装的小芯片。硅互连结构扩展了这个愿景,使体系脱离了封装件,能够包含整个核算机。

            想了解抛弃印刷电路板的含义,无妨考虑运用典型的SoC会发作什么。由于摩尔定律,一块1平方厘米的硅片能够塞入驱动智能手机所需的简直一切部件。惋惜的是,由于种种原因——首要与印刷电路板有关,这块硅片随后做入到(一般是)塑料原料的封装件中,封装件的尺度或许是芯片自身的20倍之大。

            芯片和封装件之间的尺度差异至少带来了两个问题。首要,封装芯片的体积和分量远大于原始硅片的体积和分量。很显然,这关于一切需求细巧轻浮的东西来说都是个问题。其次,假如终究硬件需求多块芯片互相通讯(大多数体系这样),那么信号传输经过的距离将添加10倍以上。该距离是速度和能耗瓶颈,假如芯片交流许多数据更是如此。关于图形、机器学习和查找等数据密布型运用而言,该瓶颈或许是最大的问题。更糟糕的是,封装芯片很难做到冷却。确实,几十年来,散热一直是核算机体系的约束要素。

            已然这些封装件是如此严峻的问题,为什么干脆不丢掉它们?这归咎于印刷电路板。

            当然,印刷电路板(PCB)的意图是将芯片、无源部件及其他设备连成一个作业体系,但它不是抱负的技能。PCB很难做到彻底平坦,还简略翘曲。芯片封装件一般经过一系列焊接凸点衔接到PCB,这些凸点在制作进程中被熔化并从头固化。焊接技能的局限性加上外表简略翘曲,意味着这些焊接凸点之间的距离不小于0.5毫米。换句话说,每平方厘米的芯片面积最多只能塞入400个衔接。关于许多运用而言,衔接数量太少了,无法为芯片供电、无法让信号进出。比方说,英特尔凌动处理器的一块晶片所占的面积很小,只能塞得下100个0.5毫米衔接,离所需的300个衔接相差甚远。规划师运用芯片封装件来满意每个单位面积的衔接数。封装件拿来硅芯片上细小的输入/输出衔接(宽度从1微米至50微米不等),使它们呈扇形散开到PCB的500微米量级。

            最近,半导体职业已测验经过开发先进的封装工艺(比方硅中介层技能)来约束印刷电路板的问题。中介层是一层薄薄的硅,少数的裸硅芯片装置在上面,经过数量比两个封装芯片之间的衔接更多的衔接互相连起来。可是中介层及其芯片仍有必要封装起来、装置到PCB上,因而这种布局会添加杂乱性,又没有处理任何其他问题。此外,中介层必然很薄、易碎、尺度受约束,这意味着很难用它们构建大尺度体系。

            咱们以为,一种更好的处理办法是彻底抛弃封装件和PCB,改而将芯片粘合到比较厚(500微米至1毫米)的硅圆片上。处理百果园器、存储器晶片、模仿及射频小芯片、稳压器模块、乃至无源部件(比方电感器和电容器)都能够直接粘合到硅片上。比较一般运用的PCB资料(名为FR-4的玻璃纤维和环氧树脂复合资料),硅圆片具有刚性,能够抛光至挨近完美的平坦度,因而翘曲不再是问题。此外,由于芯片和硅基片在受热遇冷时以相同的速度胀大缩短,因而不再需求像芯片与基片之间的焊接凸点那样的大尺度柔性衔接。

            焊接凸点能够换成做在硅基片上的微米级铜柱。运用热紧缩(基本上是精准施加的热和力),随后能够将芯片的铜I/O端口直接粘合到铜柱上。精心优化热压粘合工艺能够生成章鱼彩票网-Goodbye、主板;Hello、硅互连结构比焊接接点牢靠得多的铜铜接点,所用资料更少。

            抛弃PCB及其缺点意味着芯片的I/O端口之间的距离能够做到10微米这么小,而不是本来的500微米。因而,咱们能够在硅芯片上封装数量多2500倍的I/O端口,无需用于改动空隙的封装件。

            更好的是,咱们能够运用规范的半导体制作工艺在Si-IF上放置多层连线。这些连线或许比印刷电路板上的连线细得多。它们的距离小于2微米,而PCB的距离是500微米。与运用PCB的1毫米或更大距离比较,该技能乃至能够做到芯片距离小于100微米。成果是,Si-IF体系节约了空间和耗电,并缩短了信号抵达意图地所需的时刻。

            此外,与PCB和芯片封装件资料不同,硅是一种适当好的热导体。能够将散热片装置在Si-IF的两边,以加大散热作用——咱们估量散热量最多能够添加70%。发出更多热量让处理器能够运行得更快。

            虽然硅的抗拉强度和刚度非常好,但有点脆。幸亏,数十年来,半导体职业已开发出了在不弄坏大尺度硅圆片的情况下处理它们的办法。假如正确固定和处理根据Si-IF的体系,咱们估量它们能够经过大多数牢靠性测验,包含抗震性、热循环和环境应力。

            晶体硅的资料本钱高于FR-4,这一点无法逃避。虽然有许多要素会影响本钱,但8层PCB的每平方毫米本钱或许仅为4层Si-IF晶片的十分之一。可是咱们的剖析标明,假如你去除封装和杂乱电路板结构的本钱,加上Si-IF节约空间的长处,本钱差异能够忽略不计,并且在许多情况下,Si-IF更胜一筹。

            硅互连结构与芯片封装和印刷电路板

            硅互连结构用更密布、更高带宽的衔接来互连芯片;它使芯片更严密地封装在一起,且散热作用更好。

            无妨看几个标明Si-IF集成怎么使核算机体系获益的比方。咱们在一项针对服务器规划的研讨中发现,由于更强的衔接性和更佳的散热性,运用根据Si-IF的无封装处理器能够使传统处理器的功用进步一倍。更棒的是,硅“电路板”(需求更恰当的术语)的尺度能够从1000平方厘米缩小到400平方厘米。如此大幅减缩体系尺度对所需的数据中心空间和冷却基础设施来说具有严重实践的影响。在另一个极点,咱们查看了根据Arm微控制器的小型物联网体系。在这里运用Si-IF不只将电路板的尺度缩小了70%,还将其分量从20克减轻到8克。

            除了减缩现有体系并进步功用外,Si-IF还有望让体系规划师能够制作出本来不或许制作出来,或至少极端不有用的核算机。

            典型的高功用服务器在PCB上含有2个至4个处理器,可是一些高功用核算运用需求多台服务器。数据需求在不同的处理器和PCB之间移动时,通讯推迟和带宽瓶颈随之而来。可是假如一切处理器都在同一块硅片上,会怎么样?这些处理器简直能够像整个体系是一个大处理器那样严密地集成起来。

            这个概念最早由Gene Amdahl在他的Trilogy Systems公司提出。Trilogy失利了,原因是制作流程无法生产出满足的有用体系。制作芯片时一直有或许呈现次品,呈现次品的或许性会随芯片的面积急剧进步。假如芯片有餐盘那么大,简直能够保证芯片上会呈现毁了体系的缺点。

            可是若运用硅互连结构,能够从小芯片下手,咱们现已知道能够无缺点地制作出小芯片,然后将它们衔接成一个体系。加利福尼亚大学洛杉矶分校和伊利诺伊大学厄巴纳尚佩恩分校的研讨人员规划出了包含40个GPU的这种圆片级体系。模仿时发现,与运用最新的多芯片封装件和印刷电路板制作的尺度相同的40个GPU体系比较,它可将核算速度进步五倍以上,而能耗下降80%。

            这些是令人信服的成果,可是使命并不轻松。咱们有必要考虑许多约束要素,包含能够从圆片上散热多少、GPU怎么最快速地互相通讯以及怎么为整块圆片供电。

            小芯片与100毫米宽圆片上的硅互连结构衔接起来。与印刷电路板上的芯片不同,小芯片能够相距仅100微米,加快了信号传输并下降了能耗。

            事实证明,耗电是一大限制要素。按芯片的规范1伏供电核算,圆片的窄连线其耗电量将到达整整2千瓦。咱们而是挑选将电源电压进步到12 V,以削减所需的电流量,然后削减耗电量。该处理方案需求在圆片周围遍及稳压器和信号调理电容器,占用了本来更多GPU模块所运用的空间。受前期成果的鼓动,咱们现正在构建圆片级核算体系原型,期望在2020年末之前完结。

            硅互连结构或许在核算机职业的这个重要趋势中发挥作用:将片上体系(SoC)分解为有机集成的小芯片。在曩昔的二十年,力求更好的功用和下降本钱促进规划师把整组的芯片换成尺度更大的集成SoC。虽然SoC长处颇多(关于大容量体系而言更是如此),但缺点也许多。

            举例说,SoC是一块大芯片;如上所述,保证大芯片有很高的成品率很困难,触及最先进的半导体制作工艺时尤为困难。(别忘了,跟着芯片面积添加,芯片的成品率会急剧下降。)SoC的另一个缺点是,昂扬的一次性规划和制作本钱,比方光刻掩模至少需求200万美元,这样的本钱使得SoC对大多数规划而言基本上无法接受。此外,只需制作进程的规划或晋级有任何变化(哪怕很小的变化),都需求对整个SoC进行大规模的从头规划。终究,SoC办法企图逼迫一切子体系规划都遵从单一的制作工艺,即便其间一些子体系运用不同的工艺来制作,会有更高的功用。因而,SoC内没有任何部件能到达峰值功用或功率。

            无封装件的Si-IF集成办法避免了一切这些问题,一起保留了SoC的小尺度和功用优势,还供给了规划和本钱优势。它将SoC分解为部件体系,并从头做成圆片上体系或Si-IF上体系(SoIF)。

            这种体系由独立制作的小芯片组成,这些小芯片在Si-IF上连起来。小芯片之间的最小距离(几十微米)与SoC内两个功用块之间的最小距离适当。Si-IF上的连线与SoC的最上层内运用的连线相同,因而互连密度也适当。

            带宽、推迟和能耗:与印刷电路板上的惯例体系比较,运用硅互连结构的圆片级集成可进步带宽、缩短推迟并削减能耗。

            SoIF办法相关于SoC的优势来自小芯片的尺度。小芯片的制作本钱比大SoC的廉价,这是由于如前所述,芯片尺度较小时,作业芯片的成品率较高。SoIF仅有尺度较大的是硅基片自身。由于基片仅仅由几个易于制作的层组成,因而不太或许呈现成品率问题。芯片制作中成品率下降首要来自晶体管层的缺点或超密布金属底层的缺点,而硅互连结构没有这两种缺点。

            除此之外,改用小芯片,SoIF将具有业界寻觅的种种长处。比方说,将SoIF晋级到新的制作节点应该更省钱、更轻松。每个小芯片能够有各自的制作技能,只要值得晋级的小芯片才需求替换。从头节点的较小晶体管中不会得到多大长处的那些小芯片不需求从头规划。这种异构集成让你能够制作一类全新的体系,这类体系能够混合调配多代小芯片以及一般与CMOS不兼容的技能。比方说,咱们的研讨小组最近演示了将磷化铟芯片衔接到SoIF上,有望运用于高频电路。

            由于小芯片将在衔接到SoIF之前进行制作和测验,因而它们可用于不同的体系中,然后大大分摊了本钱。咱们估量,因而,规划和制作SoIF的总本钱比SoC最多低70%。关于大尺度小批量体系(比方用于航空航天业和国防业的体系)而言特别如此,这些职业的需求量仅为几百到几千个体系。自界说体系作为SoIF也更简略制作了,由于规划本钱和时刻都削减了。

            咱们以为,对体系本钱和多样性的影响或许会敞开一个新的立异年代,届时新式硬件关于多得多的规划师、草创公司和大学来说本钱合理、易于获取。

            在曩昔几年,咱们在Si-IF集成技能方面取得了严重发展,但仍有许多作业要做。首要是演示商业上可行、成品率高的Si-IF制作工艺。制作圆片级Si-IF的图画或许需求“无掩模”光刻技能方面的立异。当今运用的大多数光刻体系只能制作尺度约33 x 24毫米的图画。终究,咱们需求能够将图画印制到300毫米直径圆片上的工艺。

            咱们还需求一些机制来测验裸小芯片和未拼装的Si-IF。跟着芯片制作商开端向用于先进封装件和3D集成的小芯片跨进,业界现已在裸芯片测验方面取得了稳步发展。

            接下来,咱们将需求充分运用硅的杰出导热性的新散热器或其他散热战略。章鱼彩票网-Goodbye、主板;Hello、硅互连结构咱们与UCLA的搭档一直在开发一种名为PowerTherm的集成圆片级冷却和供电处理方案。

            此外,需求规划用于硅圆片的机架、底座、衔接器和电缆,以打造完好体系。

            咱们还需求对规划办法进行几处变化,以实现SoIF的许诺。Si-IF是一种无源基片(它仅仅导体,没有开关),因而,小芯片间衔接需求很短。假如是或许需求衔接圆片级体系上远距离小芯片的较长衔接,咱们需求中心小芯片以协助将数据传输得更远。为了充分运用这种类型的集成,需求全面改动进行布局、分配引脚的设核算法。咱们还需求开发新的办法来探求运用SoIF的异构性和可晋级性的不同体系架构。

            咱们还需求考虑体系牢靠性。假如发现小芯片在粘合后呈现毛病或操作进程中发作毛病,就很难替换。因而,SoIF(特别是大型SoIF)需求内置容错机制。容错机制能够在网络层面或小芯片层面加以施行。在网络层面,小芯片间路由将需求能够绕过有毛病的小芯片。在小芯片层面,咱们能够考虑选用物理冗余技巧,比方为每个I/O端口运用多个铜柱。

            当然,小芯片拼装的长处很大程度上依靠将有用的小芯片集成到新体系中。在现阶段,业界仍在设法搞清楚制作哪些小芯片。你无法简略地为SoC的每个子体系制作小芯片,由于一些单个的小芯片或许太小而无法处理。一种大有出路的办法是对现有SoC和PCB规划进行计算发掘,以辨认哪些功用“喜爱”互相挨得很近。假如这些功用还触及相同的制作技能,并遵从类似的晋级周期,它们应依然集成在同一块小芯片上。

            这似乎是一长串需求处理的问题,可是研讨人员现现已过国防高档研讨方案局(DARPA)的通用异构集成和IP重用战略(CHIPS)方案以及经过职业联盟来处理其间的一些问题。并且,假如咱们能处理这些问题,那么这关于咱们连续摩尔定律更细巧、更快速、更廉价的传统将大有协助。

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