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再见,摩尔定律!Hello,异构集成!

作者:芯片制程趋势 | 时间:2022-2-26 21:15:12 | 阅读:2556| 显示全部楼层
数据时代对计算提出新需求

在过去的一年半中,全球经历了新冠疫情的肆虐。虽然已经有多种疫苗开始实施接种,但是新冠疫情在未来相当长的一段时间里对我们的生活依旧持续带来影响。我们很多人已经习惯了通过电子设备在家办公、上网课、开会甚至举办线上大型会议。2020年,全球市值最大的10家公司中前8家公司都是基于互联网和大数据开展业务,另外值得关注的是半导体制造商台积电(TSMC)位列第9位。21世纪将会是数据的世纪,数据已经成为类似石油的新型资源。大数据、图像分析、机器学习已经非常普遍,从数据中心、移动设备到物联网设备都会成为数据处理的主要节点。高性能计算机前所未有地成为我们生活中的必需品,并且极大推动了对高算力计算芯片的庞大需求。
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传统集成技术下的摩尔定律已经不再有效

在1965年Gordon Moore提出摩尔定律到今天的近56年中,摩尔定律的效率已经逐步衰退到接近失效。Alphabet的董事长John Hennessy于2018年在美国国防高级研究计划局电子复兴计划会议(DARPA ERI)上的演讲中展示了一张图片,是过去40年来计算机性能的增长趋势。可以看到,在1978年到1986年,计算机性能的平均每年长率是25%,随后的1986年到2003年的17年中,年平均增长率增加到52%。接下来的10年,计算机性能的年平均增长率开始下降到23%,随后的几年,进一步下降到12%,直到近5年,已经下降到了3.5%。

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近40年来,计算机性能增长的趋势
(图片来源:Alphabet董事长在美国国防高级研究计划局电子复兴计划2018年会议上的演讲)

John Shalf在2019国际超级计算机会议上的演讲中展示了一张图片,在过去近50年中,计算机系统在晶体管数量、单线程性能、时钟频率、功耗以及内核数量这5个指标上的发展趋势。可以看到,在2021年,这些指标都有可能趋于饱和。今天,我们正在面临摩尔定律的终结,需要寻找一种新的路径继续提高电子产品的性能。

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计算机技术发展趋势在2021年趋于饱和
(图片来源:John Shalf在2019国际超级计算机会议上的演讲)

国际半导体技术蓝图(ITRS)自从1991年诞生到2016年7月发布了最后的版本,指出半导体体积到2021年将不再缩小。报告认为,半导体厂商将面积缩小、放下更多晶体管的做法在经济上已经不划算。此后,半导体厂商将更多关注3D芯片等其他技术增强计算性能。AMD的CEO Lisa Su在2019年的DARPA ERI会议上也展示了随着工艺节点从45nm逐步过渡到5nm,单位芯片面积的成本增加到了最初的5倍。

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摩尔定律的经济效应遇到瓶颈
(图片来源:AMD CEO Lisa Su在美国国防高级研究计划局电子复兴计划2019年会议上的演讲)

异构集成将推动摩尔定律趋势继续有效

2015年,ITRS的异构集成(Heterogeneous Integration)研究团队与电气电子工程师学会(IEEE)的元器件、封装、制造技术学会(CPMT)签署了一份谅解备忘录,宣告异构集成蓝图(HIR)成立并开始完全代替ITRS。HIR 由IEEE的3个学会(电子封装学会EPS、电子器件学会EDS、光电学会PS)和半导体设备和材料国际组织(SEMI) 与美国机械工程师学会的电子与光子封装事业部 (ASME EPPD)共同组成。目的是为了维护把不同工艺制造的元器件集成在一起的先进封装技术的进步步伐,以便使当今和未来的电子系统得到更增强的功能和操作体验。


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图片来源:John Hunt (ASE)

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图片来源:Amkor

异构集成通过工艺技术的多样性、功能多样性和材料的多样性进行系统级的集成或3D封装,将进一步推动半导体工业第四波技术浪潮以便维持摩尔定律趋势继续有效。技术多样性需要将不同工艺节点的芯片集成在一起,不同于传统SoC技术手段去统一追求更先进的工艺节点,对于某些性能优异的工作稳定的IP或称为小芯片(Chiplet)可以更长时间停留在较早的工艺节点上。对于功能多样性体现在把数字、模拟、模数混合、光电子、微机械等等不同类别的芯片做集成,这在传统SoC技术路径上是很难做到的。材料多样性是异构集成最重要的特性,不局限于传统CMOS工艺,采用多种工艺结合的方式,比如采用光学系统的I/O。

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异构集成是延长摩尔定律的第4波浪潮
(图片来源:ERI summit 2020)

Intel的 Agilex系列FPGA是非常典型的异构集成成功案例,它既包含了传统FPGA灵活的可编程性,又结合了现代FPGA基于异构架构的敏捷性。通过Intel定义的EMIB总线将不同工艺节点的小芯片连接起来。

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(图片来源:Intel)
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(图片来源:Intel)

AMD的EPYC处理器是另一个异构集成的案例。在第一代EPYC中,处理器由4个14nm工艺的小芯片组合而成。而到第二代EPYC时,处理器由4组共八个7nm小芯片和一个14nm的I/O芯片组合而成。

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图片来源:AMD Lisa Su DARPA ERI 2019

以下是几款主流手机处理器芯片的切面图,可以看到,Apple A12采用了WLP Fan-out工艺封装集成,而三星 EXYNOS9810和华为Kirin980都是采用了先进PoP工艺封装集成。

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图片来源:宾汉姆顿大学

异构集成不仅仅是封装加工

异构集成对传统的封装测试厂商(OSAT)提出了更高要求,无论是从系统设计还是EMI/PI/SI协同优化仿真,热性能优化和结构优化仿真都与传统封装厂的工艺技术有较大区别。未来,承担异构集成设计的厂商绝不能仅仅是一家封装代工厂,而是需要能够提供完整的先进封装设计与制造解决方案的厂商。在众多厂商中,ASE、Amkor具备了优秀和完整的整体解决方案。国内厂商中,通富AMD和长电收购的星科金朋也有比较强的整体方案能力。

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