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Notícia

March 11, 2021

Apps emergentes e desafios para empacotar

O empacotamento avançado está jogando um papel mais grande e está transformando-se uma opção mais viável para desenvolver projetos de microplaqueta novos do sistema-nível, mas igualmente apresenta fabricantes de chips com uma disposição desconcertante de opções e às vezes de um preço robusto.

Automotivo, servidores, smartphones e outros sistemas abraçaram empacotamento avançado de uma ou de outra forma. Para outras aplicações, é supérfluo, e um pacote mais simples da mercadoria bastará. Ainda, o empacotamento avançado é transformar-se rápido uma opção atrativa para muitos. A indústria está desenvolvendo formulários novos de empacotar avançado ou de promover as tecnologias existentes para uma escala de aplicações, tais como 5G e AI.

Tomou os anos da indústria para obter a este ponto. Montar dados em um pacote rudimentarmente foi possível por décadas. Mas como a escamação de corridas fora do vapor, empacotando para abrir um grupo novo inteiro de opções arquitetónicas a que pode melhorar o desempenho, para reduzir o poder, e adicionam a flexibilidade em projetos personalize-os para mercados específicos e para reduzir o tempo ao mercado.

Ninguém tipo do pacote pode encontrar todas as necessidades, contudo. Cada aplicação é diferente, e cada um tem suas próprias exigências originais. Em alguns casos, o empacotamento avançado pode nem sequer ser a solução direita.

A engenharia do semicondutor examinou os benefícios e os desafios de empacotamento avançado em quatro mercados — servidores, equipamento em rede, vidros e militar esperto/aeroespacial. Quando esta for apenas uma amostra das aplicações possíveis, destaca algumas das questões principais e os desafios em empacotar isso fabricantes de chips enfrentarão no futuro.

O mercado de empacotamento total de IC valeu $68 bilhões em 2019, de acordo com Yole Développement. Disso, a indústria de empacotamento avançada era $29 bilhões em 2019 e é esperada crescer por 6,6% para alcançar em 2025 $42 bilhões, de acordo com Yole.

Servidores
Tipicamente, para avançar um projeto da vanguarda, os fabricantes do dispositivo confiam na escamação da microplaqueta. O objetivo é embalar mais funções em um monolítico morre em cada nó do processo novo, com um nó novo que desenrola aproximadamente cada 18 a 24 meses. Mas a escamação está tornando-se mais difícil e cara em cada nó, e os benefícios do preço/desempenho estão diminuindo. Assim quando escalar continuará, não todos os componentes em um sistema escalarão ingualmente.

“Está a ponto realmente de morrer economia,” disse Walter Ng, vice-presidente do desenvolvimento de negócios em UMC. “Em nós da sangramento-borda, custos da bolacha são astronômicos, tão poucos clientes e poucas aplicações podem ter recursos para aproveitar-se da tecnologia de processamento cara. Mesmo para os clientes que podem ter recursos para o custo, algum do seu morre tamanhos está correndo acima contra o tamanho máximo do retículo. Isso, naturalmente, resultados em desafios do rendimento, que então agrava mais o problema custado. Os clientes querem uma solução técnica mais aperfeiçoada, que entregue uma solução mais eficaz na redução de custos do negócio. A quantidade de tempo que toma para projetar e verificar uma grande sistema-em-um-microplaqueta (SoC) na borda de sangramento é igualmente um interesse para muitos de uma perspectiva do tempo-à-mercado.”

No mundo do servidor, estes pontos à desagregação — funções offloading que não exigem nem não tiram proveito da lógica digital a mais avançada — assim como a integração heterogênea usando uma interconexão de alta velocidade do dado-à-dado. Há um número de opções disponíveis, mas o zumbido atual é em torno dos chiplets.

Nos chiplets, um fabricante de chips pode ter um menu de dados modulares, ou os chiplets, em uma biblioteca, não que têm que ser desenvolvidos no mesmo nó do processo. Geralmente, um projeto que inclua chiplets assemelha-se um SoC monolítico, mas lhe custa menos para tornar-se.

Isto todo soa bom no papel, mas há alguns desafios. “Este é um ambiente emergente. É um modelo novo. Não há muitos padrões quando se trata das relações. Os adotantes adiantados da integração do chiplet tendem a ser as empresas verticalmente integradas que podem controlar todos os elementos do projeto, e especificamente as relações,” disse Eelco Bergman, diretor superior do desenvolvimento de negócios em ASE, em uma apresentação na conferência IMAPS2020 recente. “Hoje, os projetos do chiplet serão conduzidos pela maior parte por um colaborador da microplaqueta, se aquele é um IDM ou um fornecedor fabless. Enquanto a indústria evolui e os ecossistemas abrem, você verá esta mudança.”

Outro concordaram. “Compreendendo do ônibus o projeto e da relação as especs. são realmente críticas. Se é uma situação proprietária, a seguir claramente o cliente está indo terminar acima a tomada de um papel principal lá. Isso será verdadeiro por algum tempo,” disse Mike Kelly, vice-presidente de pacote e de integração avançados da tecnologia em Amkor, em uma apresentação. “Uma vez que nós estabelecemos um lugar onde nós tenhamos as arquiteturas comuns do ônibus que todos compreende e é especificado bem, a seguir o projeto pode ser muito flexível, se é uma empresa verticalmente integrada, IDM ou um OSAT para essa matéria.”

AMD, Intel, e algum outro introduziram chiplet-como arquiteturas. Por exemplo, em vez de um grande monolítico morre, o processador que o mais atrasado do servidor de AMD a linha integra dados menores em um módulo, chamou às vezes um módulo da multi-microplaqueta (MCM). As microplaquetas são conectadas usando uma interconexão do dado-à-dado.

Referido como um 2D projeto do chiplet, o MCM de AMD incorpora um I/O integrado e o controlador da memória morre baseado em um processo 14nm. Esse morra é situado no meio. O processador oito 7nm morre é incorporado igualmente no MCM. Quatro que o processador morre são situados em cada lado do I/O morrem.

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Fig. 1: O processo de servidor do EPYC de AMD com os 8 dados do núcleo e 1 I/O morrem fonte: AMD

Para suas linhas do processador do servidor, AMD moveu-se para a chiplet-como a aproximação por vários motivos. “A fim continuar a tendência exigida do desempenho do desempenho 2X cada dois anos, nós estamos indo precisar chiplets de permitir não somente mais transistor no melhor rendimento, mas para reduzir a quantidade total de silicone do avançado-nó,” disse Bryan Black, um membro distinguido em AMD, em uma apresentação.

Indo para a frente, AMD planeia expandir seus esforços do MCM na parte dianteira do processador do servidor. Igualmente planeia desenvolver chiplets usando 3D que empilha técnicas. “Enquanto nós nos movemos em 3D que empilha, nós estamos indo agravar todos estes desafios que nós temos trabalhado sobre no 2D,” Preto dissemos.

O 2D e os projetos do chiplet 3D-based têm muitos dos mesmos desafios. “Chiplets não está livre,” Preto disse. “Têm um custo associado com eles, em um custo de empacotamento e em um aumento no custo da área do dado. Nós não podemos tomar um componente monolítico com área 2X e para dividi-la em dois menores morra que são apenas 1X a área cada um. Há umas despesas gerais ao comunicar-se entre os dois, assim como uma lógica adicional do poder, uma lógica adicional da coerência, uns controles cronometrando adicionais, e assim como uns controles eficientes do teste. Nós temos uma tonelada de lógica de controle extra além do que a comunicação do I/O em cima que é exigida para conectar estes dois dados e para os fazer olhar tão similares a ser tão um morra como possível.”

Sobre isso, um pacote exige dados com os bons rendimentos, igualmente chamados bom conhecido morre. Um mau morre no pacote pode conduzir às falhas do produto ou de sistema. “Há uma variação paramétrica em todos os dados. E assim nós temos um problema fundamental do teste e da caracterização de soluções do multi-dado. Alguns são lentos. Alguns são rápidos. Alguns consomem mais ou menos poder,” Preto disse.

O calor, a distribuição de poder, e a confiança são igualmente desafios com projetos chiplet-baseados. E então, se o pacote falha, a pergunta grande é quem toma a responsabilidade. É o vendedor da microplaqueta, o fornecedor do IP ou a casa de empacotamento?

Para isto, a indústria de empacotamento pode aprender das experiências anteriores, particularmente nas fases iniciais de 2.5D. Com 2.5D, os dados são empilhados ou colocados de lado a lado sobre um pino intermediário. O pino intermediário, que incorpora com os vias do silicone (TSVs), atua como a ponte entre as microplaquetas e uma placa.

Nas fases iniciais de 2.5D, os fabricantes do dispositivo estavam atracando-se com dados, edições da integração e desafios diferentes do rendimento. Ao longo do tempo, embora, os vendedores trabalharam com os problemas.

“Eu recordo quando os projetos 2.5D começaram,” Kelly de Amkor disse. “A coisa do número um que nos ajudou obtinha rendimentos até um ponto. Então não era um desafio enorme a classificar com poucas perdas do rendimento que você teve.”

Se um dado não encontrou especs., os vendedores conduziriam então uma análise de causa raiz extensiva do dispositivo. Isto exige uma estratégia de teste sadia.

O mesmo tipo de receita podia ser executado para a integração heterogênea usando chiplets. Como antes, tornando-se morre com bons rendimentos é crítico. “Você está indo tomá-lo a um outro extremo. Você terá mais dados e mais junções da solda. Mas contanto que seu processo de conjunto fundamental for sólido da rocha, não está indo ser tão doloroso de uma discussão como nós a encontramos com 2.5D,” Kelly disse.

Certamente, o pacote deve ter bons rendimentos a custos aceitáveis. Mas quando uma falha ocorre, vai para trás ao fornecedor. “No final do dia, o fornecedor é esse que é finalmente responsável para o produto. Mas a base de fonte que apoiou que o fornecedor da microplaqueta está lá ajudar nesse processo da análise da falha. Uma vez que isso é identificado, a seguir as responsabilidades e as responsabilidades tornam-se muito mais claras, de” o Bergman ASE disse.

O objetivo é impedir falhas no primeiro lugar. Isso toma uma aproximação holística que começa com o projeto. “Com a fase de projeto, nós figuraremos para fora o que está indo trabalhar o melhor com o cliente,” dissemos Ken Molitor, Diretor de Operações em Quik-Pak. “Nós turnkey o projeto inteiro, onde nós projetamos a carcaça, teremos a carcaça fabricada, e vimos então acima com um projeto coesivo. Então, nós tê-lo-emos montado. Há determinados marcos miliários (durante o processo.) Isso tende a reduzir o risco em sua extremidade e em nossa extremidade.”

Equipamento em rede
Os vendedores do equipamento em rede enfrentam muitos dos mesmos desafios. A rede é um sistema complexo que meça do escritório domiciliário à nuvem. Para endereçar estes mercados, os vendedores do equipamento de comunicação vendem sistemas diferentes para várias partes da rede.

Por exemplo, em de uma parte da rede, Cisco vende um router para prestadores de serviços em grande escala. Um router dirige a rede usando pacotes de dados do IP. O router o mais atrasado de Cisco é baseado no seus próprios, in-house ASIC. Construído em torno de um processo 7nm, ASIC monolítico de Cisco permite Tbps 12,8 da largura de banda na mesma microplaqueta.

Cisco igualmente desenvolve ASICs para seus outros produtos dos trabalhos em rede. Outros vendedores do equipamento de comunicação desenvolvem ASICs, também.

Os vendedores igualmente são de exploração ou de aplicação abordagens alternativas por vários motivos. Em cada nó, ASIC está tornando-se mais grande e mais caro. Igualmente incorpora um SerDes (serializer/deserializer), que forneça comunicações de alta velocidade da microplaqueta-à-microplaqueta.

Da “a largura de banda rede que escala exigências conduz a um aumento nos trabalhos em rede ASIC morre tamanho com cada geração da tecnologia,” disse Valery Kugel, um distinto coordenador superior no zimbro, em uma apresentação. “() O SerDes está ocupando uma grande parcela da área de ASIC.”

Há outras edições. ASIC consiste em blocos digitais e análogos. Os benefícios digitais da parcela da escamação, permitindo mais funções com larguras de banda mais altas. Mas não tudo tira proveito da escamação.

“A função de SerDes não está encolhendo. Aquela é uma estrutura análoga. Não escala bem,” disse Nathan Tracy, um tecnólogo e o gerente dos padrões do setor em TE Connectivity. Tracy é igualmente o presidente do fórum ótico do funcionamento entre redes (OIF), um grupo dos padrões do setor.

Há diversas soluções aqui, incluindo chiplets. Para conectar dados em um pacote, OIF está desenvolvendo um padrão de relação CEI-112G-XSR chamado do dado-à-dado. XSR conecta chiplets e os motores óticos em MCMs. Permite taxas de dados até 112Gbps sobre uma relação do alcance curto. XSR está ainda no formulário de esboço.

Há diversas maneiras de executar chiplets e XSR no equipamento em rede. Por exemplo, grande ASIC é rachado em dois dados menores, que são conectados usando uma relação de XSR.

Em um outro exemplo, o grande bloco de SerDes é quebrado acima em quatro que o I/O menor morre. Então, em um MCM, ASIC senta-se no meio, que é cercado por quatro chiplets menores do I/O.

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Fig. 2: Exemplo de um interruptor SoC dos ethernet que exige a conectividade do dado-à-dado. Fonte: Synopsys

Além, um fabricante do dispositivo podia integrar os motores óticos com uma microplaqueta ASIC do interruptor em um MCM.

“Há muito zumbido da indústria sobre o sistema ótico co-empacotado,” Tracy disse. “Eu estou falando sobre a possibilidade de transportar-se longe dos transceptores óticos pluggable na lâmina da cara do interruptor ter ao motor ótico montei diretamente no silicone de comutação. Você precisa uma interconexão de alta velocidade da baixa potência. O foco dessa discussão é desenvolvimento do XSR de OIF.”

A adoção dos chiplets dependerá da aplicação. Em alguns casos, ASICs ainda para fazer o sentido. Há diversos fatores aqui, como o custo e o rendimento. “É toda sobre o consumo de potência da diminuição,” Tracy disse.

O “uso dos chiplets reserva diminuir o principal morre tamanho a caber dentro dos limites do tamanho do retículo. Mas a maioria de CI não são retículo limitado. Assim este argumento trabalha somente para um número muito pequeno de CI. É um argumento forte que não se aplique à maioria de projetos,” de acordo com um perito. “Se você racha o projeto em dois, você obtém a 2X o número de dado pela bolacha. Supondo defeito ‘D’ por bolacha são relativamente constante, a seguir seu rendimento vai de X-D a 2 X-D. Of curso, ele toma duas vezes tanto como morrem por pacote, assim que seu eficaz rendimento é (2X-D)/2 = X-D/2. Você cortou eficazmente os defeitos ao meio à custa de uns dois mais complexos morre contra um morre pacote. Porque a tecnologia de empacotamento do multi-dado melhora ao longo do tempo, este será menos de uma edição.”

Vidros espertos
Estas soluções podem trabalhar para a engrenagem dos trabalhos em rede, mas o mercado de consumidores tem exigências diferentes, especialmente para produtos novos e emergentes.

Por exemplo, no R&D, diversas empresas estão desenvolvendo vidros espertos da próxima geração ou vidros de AR/VR. A realidade virtual (VR) permite usuários de experimentar os ambientes 3D virtuais. A realidade aumentada (AR) toma imagens geradas por computador e cobre-as no sistema.

Se a tecnologia trabalha, os vidros de AR/VR poderiam ser usados para a recuperação de dados, o reconhecimento de cara, os jogos e a tradução de língua. Igualmente podiam projetar uma apresentação ou um teclado em uma superfície.

“[AR/VR] e seus dispositivos variantes são somente no início de sua viagem a transformar-se a plataforma de computação da próxima geração,” disse Chiao Liu, diretor e cientista da pesquisa em laboratórios da realidade de Facebook, em um papel no IEDM do ano passado.

Desenvolver um par útil e barato de vidros espertos não é uma tarefa simples. Estes produtos exigem microplaquetas, exposições e relações novas da baixa potência. Nestes vidros, os programas são ativados usando a voz, o olhar do olho, e os movimentos da cabeça/corpo. Todas estas tecnologias devem ser seguras.

“Nós estamos indo precisar em toda a linha melhorias dramáticas,” disse Ron Ho, diretor da engenharia do silicone em Facebook, em uma apresentação em IMAPS2020. “Eu preciso muito mais o desempenho relativo ao poder do que eu posso sustentar hoje nos sistemas. Geralmente, eu preciso de correr mais rapidamente coisas com mais baixa latência.”

Para permitir vidros espertos no fatora de formulários direito, o empacotamento de IC é chave. “Eu tenho que controlar os pacotes que permitem coisas como o desempenho aumentado e uma mais baixa latência,” Ho disse. “Você não pode forçar microplaquetas para ir sobre um traço de multi-polegada e para queimar um grupo do poder em PCIe. Mas um pouco você co-pacote elas e para pô-los próximos um do outro. E com TSVs, têm uma largura de banda muito mais alta e umas conexões de um desempenho mais alto.”

Em IEDM, Facebook divulgou alguns indícios sobre seus vidros de AR/VR, que estão no R&D. Em um papel, Facebook esboçou o desenvolvimento de uma tecnologia da relação de visão do computador para vidros de AR/VR. A tecnologia subjacente é um sensor avançado da imagem do CMOS.

Os sensores da imagem do CMOS fornecem as funções da câmera nos smartphones e nos outros produtos. Mas os sensores padrão da imagem não são adequados para vidros de AR/VR. O que é exigido são os sensores aperfeiçoados máquina-percepção da imagem com empacotamento avançado. No papel, Facebook descreveu um sensor da imagem da três-camada. A primeira camada é um sensor da imagem com uma unidade de processamento, seguida por um processador da agregação, e então uma plataforma do cálculo da nuvem.

Facebook igualmente mencionou a ligação híbrida de cobre. Para isto, os dados são empilhados e conectados usando uma técnica da ligação de difusão do cobre-à-cobre. É obscura se Facebook irá abaixo desta rota, mas a ligação híbrida é uma tecnologia conhecida no mundo do sensor da imagem.

Militar/aeroespacial
Por décadas, entrementes, o Departamento de Defesa dos E.U. (DoD) reconheceu que a tecnologia da microplaqueta é essencial para a superioridade militar dos E.U. Para vários sistemas, a comunidade da defesa usa microplaquetas em nós avançados e maduros. Empacotar é igualmente uma parte crítica da equação.

Militar/aeroespacial envolve uma multidão de clientes com as exigências diferentes, embora haja alguns temas comuns aqui. “Nós prestamos serviços de manutenção a muitos setores diferentes,” o Molitor de Quik-Pak disse. “Nós prestamos serviços de manutenção a mil./indústria aero. Mil./programas aero tende a ser duradouros. São usados a tratar os componentes que têm que trabalhar por 20 a 30 anos.”

Mil./clientes aero enfrenta outros desafios. Como com o setor comercial, o custo de desenvolver microplaquetas avançadas é caro, mas os benefícios estão encolhendo em cada nó. Mais, os volumes são relativamente baixos para a comunidade da defesa.

Às vezes, a comunidade da defesa usa fundições de non-U.S. para obter microplaquetas avançadas, mas prefere usar para efeitos de segurança vendedores terrestres. Mil./clientes aero quer uma cadeia de aprovisionamento confiada e assegurada para ambas as microplaquetas e pacotes.

Todavia, o DoD está procurando abordagens alternativas além da escamação da microplaqueta, a saber integração e chiplets heterogêneos.

Por exemplo, Intel foi concedido recentemente um contrato novo para o esforço novo do chiplet do DoD, chamou o programa heterogêneo avançado do protótipo da integração (NAVIO). Sob o plano, Intel estabeleceu uma entidade comercial nova dos E.U. em torno dos chiplets. Este programa dá a clientes o acesso às capacidades de empacotamento de Intel, incluindo o DoD e a comunidade da defesa.

Há várias peças ao programa do NAVIO. Quando Intel ganhou a parcela digital do programa, Qorvo foi concedido a peça do RF do projeto do NAVIO. Sob esse projeto, Qorvo estabelecerá um projeto de empacotamento do RF, uma produção e um centro heterogêneos da criação de protótipos em Texas. Este centro servirá primeiramente a comunidade da defesa.

Qorvo não é novo a mil./aero. Por anos, o fornecedor dos dispositivos RF e outros produtos fornecem a fundição e os serviços de empacotamento para mil./o aero e o setor comercial. A empresa desenvolve os dispositivos baseados no nitreto do gálio (GaN), no arsenieto de gálio (GaAs) e nos outros processos.

Em mil./aero, as exigências de empacotamento mudaram ao longo dos anos. “Quando eu comecei primeiramente trabalhar para Qorvo há muitos anos, ninguém quis-nos enviá-los empacotou as peças. Mil./desencapados queridos aero morre,” disse o decano Branco, diretor da defesa e da estratégia aeroespacial do mercado em Qorvo. “Nós vimos a mudança do mercado de um tipo militar-aeroespacial mercado, que fosse dado desencapado, à integração de empacotamento e de empacotamento. Empacotar é mais ambientalmente robusto do que era anos há. Nós fazemos muito empacotamento para mil./aero em uma variedade de pacotes diferentes, segundo níveis de poder, dissipação de calor e vigor para a vibração.”

Sob o programa do NAVIO, Qorvo proporcionará serviços heterogêneos do empacotamento usando os dispositivos baseados em GaN, em GaAs e em silicone. O objetivo é encontrar-se o que o DoD chama SWAP-C, um acrônimo que denote as exigências do tamanho, do peso, do poder e do custo para pacotes em várias aplicações, tais como sistemas do radar da pôr em fase-disposição, veículos 2nãos pilotado, plataformas da guerra eletrônica e satélites.

O programa do NAVIO é alinhado para empacotar, embora Qorvo forneça um sistema de balcão único. Continuará a proporcionar a fundição e os serviços do empacotamento para mil./clientes aero. “Nós estamos modelando-o após nosso modelo da fundição. Nós estamos usando o mesmo tipo do tipo do acesso aberto de modelo. E este seria um serviço. Você poderia projetar em nossa fundição. E então você poderia dizer, ‘pode você tomar aquelas peças e põe-nas então em um pacote? ‘Assim esta é uma adição ou expansão de nossa capacidade atual,” Branco disse.

Entrementes, mil./aero envolve o trabalho feito sob encomenda. Cada cliente pode ter exigências de empacotamento diferentes com vários desafios.

Tome o RF, por exemplo. “Um dos desafios que você tem na comunidade do RF é, uma vez que você põe um dispositivo em um pacote, ele muda o desempenho do RF,” Branco disse. “Você tem que projetar suas microplaquetas e seu MMICs caber dentro destes pacotes, e executar tão perto quanto você pode possivelmente a seu desempenho pretendido original.”

Com isso em mente, tornar-se chiplets modela em torno do RF é mais fácil disse do que feito. “(NAVIO) é visado para usar GaN, GaAs e silicone. Serão integrados igualmente toda para dentro destes pacotes heterogêneos,” Branco disse. “O mais alto na frequência que você vai, mais desafiante torna-se para fazer um chiplet-tipo projeto. Aquela é uma das áreas que nós estamos explorando como parte do NAVIO. Isto está fazendo o que o governo chamaria um chiplet-tipo de um projeto. E isso não é definido completamente ainda.”

Conclusão
Há uma abundância de outros mercados que são esperados empurrar para uma integração mais heterogênea. Os computadores baixo da gama do Mac de Apple estão movendo-se para um processador M1 internamente desenvolvido que integre núcleos do processador central, gráficos, um motor da aprendizagem de máquina “em um pacote personalizado,” de acordo com a empresa.

Aquele é apenas o começo, demasiado. Há umas oportunidades novas para empacotar em outros mercados, tais como 5G, AI, móvel, e abundância dos desafios a ir junto com eles. Mas não parece estar nenhuma falta da oportunidade de manter a indústria ocupada, entre as mudanças novas e monumentais que ocorrem no mercado. (de Mark LaPedus)

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