Mikroişlemci Performans ve Miniaturizasyon Üzerine 3d Entegrasyonun Etkisi
Yarı iletken endüstri iki birincil hedef takip etti: performans ve küçülme cihazı büyüklüğü. On yıllardır, geleneksel yol, geleneksel bir planlı çip üzerinde daha küçük ölçeklendirmek için daha küçük bir ölçeklendirmek için. Moore'un Yasası yavaşlar ve fiziksel sınırları yaklaşımıyla, tasarımcılar üçüncü boyuta döndüler. Üç boyutlu çipler veya modüller hıza geçti - bu türdeki üç boyutlu kaplamalar ve daha sonraki küçük ölçeklendirmeler ile bu tür bir araya getiriyor.
3D Entegrasyonu Anlamak
Onun özünde, 3D entegrasyon, yarı iletken ölü veya tabakaların dikey yığınlarıdır, örneğin via- ⁇ vias (TSVs), mikrobumps veya karma bağlar. Tüm devrelerin ayrı bir silikonun üzerinde üretildiği geleneksel monolitik entegrasyon, 3D entegrasyonu, farklı bir fonksiyonel bloklar -olojik, hafıza, analog, sensörler – birlikte imal edilebilir. Bu yaklaşım, malzemelerde esneklik sunar.
2D'den 3D'ye: Mimarlıkta Bir Değişim
Geleneksel 2D planar tasarımları, tüm transistörler ve interconnectler aynı yatay uçakta yalan söylüyor. Bu düzenleme, tüm çipleri aşıyor, önemli bir güç ve gecikmeyi tüketebilir.Bir boyut olarak, onları bağlayan binlerce dikey bağlantıya - bu eğimli bir faktörle mücadele eder. 3D entegrasyon, bu tür katmanları dikey olarak toplayarak ve işlevsel bloklar arasındaki mesafeyi azaltır. Örneğin, bir mantık ölmez.
Anahtar Enabling Technologies
3D entegrasyonuna en yaygın iki yaklaşım, [Down-to-die[D][B][B][/FONT=2}Dally-Dlement [DNT=D][/FONT=D FONT=FONT=D=D FONT=D FONT=D FONT=D FONT=D FONT=D D D D FONT=D FONT=D FONT=D I FONT=S I I FONT=S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S
Heterojen integral
3D yığınlamanın en büyük avantajlarından biri, farklı düğümlerde bellek, optimize edilmiş düğümler, analog cipsler, sensörler ve fotonikler - tüm bir paket içinde yapılır.Bu konsept, genellikle DRAM'ı daha olgun bir entegrasyon) ile birleştirebilme yeteneğidir, sistem-çizgimli tüm bileşenleri aynı işlemden bağımsız olarak aynı işlem düğümü zorlayın. Örneğin, yüksek performanslı CPU 3nm işleminde kumaşlı bir işlemde oluşur.
Performans 3D Entegrasyondan Kazanır
3D entegrasyonunun performans yararları üç alanda en görünür: Interconnect gecikme, artan hafıza genişliğini azaltın ve temelleri işlemeye yakın uzmanlaşmış hızlandırıcıları entegre etme yeteneği.
Bağlantıları kısaltmak, Hızlandırmak
Signal propagation gecikmesi, uzun ve eğimli tabakaların ürün ve kapasitesi ile orantılıdır.In 2D cips, uzun global teller milimetreleri, önemli gecikmeleri yayabilir ve enerji ve alanı kullanan tekrarlayıcılar, kritik yol uzunluklarını dikey olarak bitişik katmanlara yerleştirerek azaltır. Örneğin, bir işlemci çekirdeği ile L2 önbellek arasındaki mesafe birkaç milimetreye kadar yayınlayabilir.Bu azalma, doğrudan daha düşük gecikmeli ve daha yüksek hız frekanslarına dönüştürür.
Memory Band Wide Revolution
Belki de en çarpıcı performans etkisi doğrudan üst düzey bir mantıkla hafızadan gelir. Geleneksel hafıza arayüzleri gibi -Ros veya GDDR'nin sayısı ve basılı devreler üzerinde bulunan 3D yığınlama, yüksek bant genişliğine sahip olan yüksek, kısa sürede yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yapılan yüksek performanslı bir çalışmadır.
Enabling Specialized Hızlandırıcılar
3D entegrasyonu ayrıca, uzmanlaşmış hızlandırıcıların sıkı darbesini sağlar - sinir işleme birimleri (NPUs), grafikler temelleri veya kriptografik motorlar - ana işlemcinin üst kısmındaki görevleri yerine getirmek ve bu optimizasyonların yükünü azaltır, enerji verimliliği ve çipsiz tasarımlarda büyük satıcılardan gözlemlenen olarak.
Modern Cihazlarda Enabling Miniaturization in Modern Devices
Performans kazanımlar manşetleri yakalarken, miniaturizasyondaki 3D entegrasyonun rolü eşit derecede dönüştürücüdir. Daha küçük, ince, hafif ve cihazlar için talep - akıllı telefonlardan IoT düğümlerine giyilebilir - bu konuda daha fazla işlevsellik paketliyor. 3D çöplük.
Sacrificing Özellikler olmadan Ayak Baskıyı Yeniden Üretin
Geleneksel 2D düzeninde, daha fazla transistör veya hafıza eklemek ya ölü alanı yetiştirmek ya da daha küçük bir düğüme hareket etmek gerekir. Her iki seçenek de geri dönüşleri azaltıp, ölçeklendirme maliyetlerini azaltmaktır. 3D entegrasyon tarafı bunu binaya göre zorlanır. 2D'de 200 mm2 ölü bir mantık çipi iki katına çıkarabilecektir, aynı işlevsel alanda da olsa da, yüksek performansları sürdürür.Bu özellikle de akıllı telefonlarda önemlidir.
Hafıza ve Mantık
GPU en görünür miniaturizasyon örneklerinden biri, doğrudan uygulama işlemcisinin üstünde DRAM'ın entegrasyonudur.Bu yığınlanmış paket, genellikle bir Paket-kampaj (PoP), daha gelişmiş bir yığın için bir mantık kullanır. Modern uygulamalar şimdi TSV tabanlı 3D bellekleri kullanır (örneğin LPDDR5X paketleri ile entegre kontrol eden yüksek çözünürlükte doğru değildir.
Giysilenebilir ve gömülü sistemler üzerinde etkisi
Akıllı gözlemler ve kablosuz kulaklar gibi giyilebilirler için, her metreküresel milimetre sayar. 3D entegrasyon, tasarımcıların işleme, hafıza, kablosuz bağlantı ve sensör füzyonu bir yığından daha kalın bir modüle sahip olması ve bu tür küçük bir çözümle kıyasla daha önce imkansız olan işlevselliği sağlar. Örneğin, tıbbi sınıf bir sağlık izleme sistemi artık düşük güç mikro kontrolleri, gömülü flaş, analog ön uçları ve bir Bluetooth radyoda bir dikey bir yığında, her iki ayak izi ve güç tüketimi.
Data Centers'da Uzay Tasarrufları
Miniaturizasyon sadece tüketici cihazları için değildir. Veri merkezlerinde, zemin uzay ve güç pahalıdır, 3D entegrasyonu yoğun sunucu bıçakları sağlar. Doğrudan işlemciler için gerekli olan bellek alt sistemleri için. Net etki, yüksek hacimlilık maliyetine doğrudan izin verebilir.Bu eğilim yüksek performanslı CPU ve modüllerde belirgindir.
Anahtar Zorlukları ve Termal Yönetim
Onun sözüne rağmen, 3D entegrasyonu engelsiz değildir. En önemli teknik zorluklar ısı dağılımı, üretim karmaşıklığı, maliyet ve test etrafında döner.
Termal Şişenck
Kapsüller yığılırken, her katmanın ısı üretimi, ısı pompası ve bağlantı arabirimleri ile ısınmış bir ısıya ulaşmak için seyahat etmelidir.Sekstebili ekleme malzemelerinin ısı iletkenliği (örneğin, betonlar altında) zayıftır.Döneticileri yüksek ısıtılırken, yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte kullanılabilir.[Dönemli ısılar için yüksek çözünürlükte kullanılabilir.
Üretim Kompleksi ve Zenginlik
3D entegrasyon, son derece hassas bir uyum ve bağ gerektirir. Bir mikrondan daha azını sağlamak için elektrik arızalarına veya performans bozulmasına neden olabilir. TSV vsh ve doldurma süreçleri, 2D alternatifleri olmadan yüksek ölçüde yüksek oranda yüksek oranda yüksek oranda düşük maliyetlidir. ek olarak, wafer inceleme TSV'leri ortaya çıkarmak için gereklidir, ancak bu maliyet ve karmaşıklığın yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş
Test ve Güvenilirlik
3D bir yığınını test etmek eşsiz zorluklar sunar. Dies, yığılmadan önce test edilmelidir (eski iyi ölü), ancak son yığınlamalı montaj, tüm katmanları aynı anda egzersiz yapabilir. Konvansiyonel prototipleme kartları derinden gömülü TSV'lere erişemez, bu yüzden tasarımcılar SEMI ve JCET gibi standart kuruluşlar da güvenilirlik sağlamak için kılavuzlar geliştiriyorlar.
Maliyetleri
Ek işlem adımları –TSV formasyon, wafer incelenme, hizalama, bağ ve test - ölçeklendirme faktörü ile 1.5 ila 3 arası fiyat artış, özellikle de HBM ve çiplerin ekosisteminin yükselişi ile karşılaştırıldığında maliyetlerin düşürülmesi.
Yol Ahead: Gelişen 3D Teknoloji
3D entegrasyonun geleceği parlak, birçok gelişmekte olan teknoloji mevcut sınırlamaları aşmak ve daha büyük performans ve yoğunluk kilidini açmak için hazırlanıyor.
Hibrit Tahtiğe
Hibrit bağlar, doğrudan bakır-to-copper ve dielektrik bağı satıcı olmadan kullanılır, en iyi perdeleri sunar (alt to sub-1 mikron perdesi için). Bu teknoloji şu anda AMD'nin 3D V-Cache gibi en yüksek ürünlerde kullanılır, 64 MB L3 önbellekli bir şekilde bağlanır. Hybrid Connection mükemmel elektrik performansı sağlar ve mikrobumps ve dolumlar için ihtiyaç duyar.
Monolithic 3D Entegrasyon
Monolithic 3D (M3D) entegrasyon, düşük sıcaklıklı bir silikon (LTPS) ve Germanyium (LTG) kullanılarak, M3D'nin en yüksek bağlantı yoğunluğu ve minimum tabaka kalınlığını vaat ediyor, ancak düşük sıcaklıklı bir transistörden kaçınmak için düşük sıcaklık işlemesi gerekir.
Chiplet Entegrasyonu ve UCIe
Optimizasyon tabanlı tasarıma doğru hareket - büyük işlemciler daha küçük bir şekilde kırılır - doğal olarak 3D entegrasyonu ile uyumludur.The Universal Chiplet Interconnect Express (UCIe) standart, büyük şirketler tarafından desteklenen, 3D yığınlamaları dahil olmak üzere fiziksel bir tabakayı tanımlar. Bu standartlaştırılmış arayüzler, karışık bir şekilde çipler sağlar ve açık bir ekosistemi teşvik eder.Bir sonuç olarak, tasarımcılar yüksek performanslı mantıkları bir diğerinden elde edebilir, 3D yığınları bir araya getirirler.
Gelişmiş Termal Çözümler
Termal yönetim araştırması hızla ilerliyor. Mikrofluidic soğutma, depodaki gömülü kanallarla ilgili olarak yapılan soğutma, >1 kW/cm2. Başka bir yaklaşım, bağ arayüzüne entegre edilmiş katı termoelektrik soğutucuları kullanır. Ek olarak, yeni yüksek-termal-kondüktif elmas veya grafiksel iç içe geçmişleri araştırılır.Bu çözümler, termal-aware yerleştirme için geliştirilmiş tasarım araçlarıyla birlikte, gelecekte daha yüksek enerji bileşenlerini yığınlamanıza izin verecektir.
Yazılım ve Tasarım Araçları
3D entegrasyonu tamamen yararlanmak için, elektronik tasarım otomasyonu (EDA) araçları evrimleşmeli. Mevcut araçlar 3D yığınları çoklu-die sistemler olarak tedavi eder, ancak endüstri aynı anda doğru 3D fiziksel tasarım araçlarına doğru hareket eder ve 2D çipleri tasarlarken, karmaşık 3D işlemciler tasarlayacaktır.
Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç
3D entegrasyon, performans ve miniaturizasyonda önemli kazanımlar sağlayarak mikroişlemci tasarımı zaten yeniden şekillendirmiştir. Daha kısa interconnects, büyük ölçüde hafıza genişliği ve daha ileri ısıtıcı teknolojileri kompakt bir ayak izi ile bir araya getirme yeteneği, bir sonraki çip üretimi ve mobil hesaplamalar ile ilgili temel zorluklar haline geldi, daha fazla seçenekle ilgili olarak, üretim karmaşıklığı ve maliyetle devam ediyor, monolithic 3D ve ileri termal çözümler daha fazla talep etmeye devam ediyor. mühendisler ve mimarlar için ve mimarlar için bir sonraki nesilde, anlayış ve kucaklaşmalar inşa ediyor.