الجيل التالي من معماريات التكامل غير المتجانسة – أخبار إلكترونيات الطاقة

مع ظهور تكنولوجيا الحوسبة في أواخر القرن الثامن عشر ، تطورت هندسة الكمبيوتر من حقبة الصياغة ثنائية الأبعاد في الستينيات إلى عصر التعلم الآلي الحالي ، حيث يتم استخدام الخوارزميات والتعرف على الأنماط وما إلى ذلك. تحدد معماريات الحوسبة كيفية اتصال مكونات أجهزة الكمبيوتر ببعضها البعض وكيفية نقل البيانات ومعالجتها. أدى تطوير تكوينات معمارية مختلفة إلى تسريع معدلات نقل البيانات وتحسين معالجة البيانات.

من أجل تصميم بنية الكمبيوتر من الجيل التالي ، يواجه المصممون العديد من التحديات من حيث التوصيل البيني للنطاق الترددي ، والطاقة المنخفضة ، وسعة النظام ، وما إلى ذلك. هناك أيضًا العديد من المتطلبات التي تشمل تحسين مقاييس أداء النظام وتحديات سلامة الطاقة وفقًا لقانون مور. هناك العديد من المواد المستخدمة في تقنيات التكامل غير المتجانسة بين عمليات التغليف والسيليكون. أصبح هذا ممكنًا عن طريق استخدام المواد غير العضوية وأيضًا من خلال الحفاظ على مستوى عالٍ من النظافة أثناء تكامل الرقائق في مناطق تصنيع الرقائق.

تطبيقات وأداء هيكل QMC

كما هو مبين في الشكل 1 ، يمكن رؤية الهيكل الأساسي لـ QMC الذي يحل محل اتصال اللحام بين الرقائق ويتم تصنيعه إلى نموذج هجين متقدم لكثافة ربط عالية.

أثناء التجربة ، تم استبدال حشوة القالب العضوي التقليدية بحشو غير عضوي مثل ثاني أكسيد السيليكون لضمان توافق القالب العضوي. هذا مفيد للغاية في تحسين الاستقرار الحراري الميكانيكي للهيكل حيث أن ترتيبات الرقاقة المرنة ممكنة من خلال هذه البنية.

لدى QMC القدرة على تقديم مزايا أداء كبيرة في بنى حوسبة متعددة من خلال معلمات مختلفة. يمكن أن يكون أحد هذه الخيارات هو خيارات ربط chiplet المرنة جدًا للتوصيلات المباشرة من رقاقة إلى شريحة أو توصيلات من شريحة إلى حزمة بالإضافة إلى كثافة ربط عالية قابلة للتطوير بين الشرائح من خلال الترابط الهجين. أثناء تشغيله ، من الأهمية بمكان قياس كثافات الترابط الجانبي والرأسي معًا للابتعاد عن اختناقات التوجيه في بعض بنيات الحوسبة ، كما هو موضح في الشكل 2.

تسمح بنية QMC بهذا التوجيه نظرًا لأن الترابطات الجانبية ممكنة من خلال شرائح نشطة ذات طبقات معدنية عالية الكثافة. كما تم تطوير واجهة معيارية لـ QMC لتمكين قابلية التشغيل البيني لـ chiplet في نفس الوقت من خلال معيار Universal Chiplet Interconnect Express (UCIE). أثبتت كفاءة الطاقة لهذا الوصلة البينية أنها تفوق عشرة أضعاف الوصلات البينية التقليدية. علاوة على ذلك ، نظرًا لأن القنوات كانت أقصر ، تم تمكين برامج التشغيل ذات الحجم الأصغر باستخدام مجموعات من مناطق أصغر ذات متطلبات ESD منخفضة.

الترابط الهجين المتدرج بالقالب إلى الرقاقة

الهدف الرئيسي لبنية QMC هو تحقيق ترابط شبه متآلف يتطلب طبقة ربط هجينة ذات درجة حرارة أدق. يمكن أن تتيح طبقة الترابط هذه تحسينًا يصل إلى تسع مرات في كثافة التوصيل البيني ، كما هو موضح في الشكل 3. يمكن أن تكون طبقات الترابط الهجينة عبارة عن طبقات دمشقية محددة جيدًا بمواصفات استواء خاصة لتمكين الترابط.

أثناء تمكين مثل هذه الكثافة الترابطية الضخمة ، كان لا بد من أخذ العديد من التدابير في الاعتبار. كان على المصممين التأكد من تمكين خطوة دقيقة فوق الطبقة المعدنية للتأكد من أن التجميع حقق النتائج المرجوة. هذا التجميع لديه القدرة على دعم chiplets القابلة للاختبار بالكامل وطائرات الطاقة المستقلة. لتحقيق ذلك ، كانت هناك حاجة إلى عدد من التغييرات الحاسمة على المكدس المعدني ، مثل تمكين أصغر بكثير عبر الأحجام والتراكبات.

تدفق عمليات QMC ووحدات التمكين

عملية تدفق

يوضح الشكل 4 تدفق العملية لنموذج QMC الأساسي ، حيث يتم توصيل الحامل بطبقات الطبقة الأولى مع حشوة الأكسيد فائقة السماكة التي يتم ترسيبها وتسويتها.

بمجرد إنشاء chiplets ، يوجد ارتباط دائم بالجزء العلوي ، والذي يتم ربطه بالطبقة العليا لتحقيق الاستقرار الهيكلي. أثناء جميع خطوات المعالجة ، يجب ملاحظة أنه لا توجد مواد غير متوافقة مع fab وطوال التجربة ، يجب الحفاظ على النظافة تمامًا.

ترسيب أكسيد فائق السُمك

بالمقارنة مع السماكات التقليدية ، فإن الحاجة إلى أن تكون أكثر سمكًا حيث يتعين عليها دعم الارتفاع الكلي للشريحة بما في ذلك الركيزة المصنوعة من السيليكون والربط البيني المعدني.

عندما يتعلق الأمر بـ QMC ، يتم استخدام ثاني أكسيد السيليكون لتوافق المواد الغذائية على عكس القالب العضوي التقليدي في العبوة. في هذه الحالة ، كان التحدي الرئيسي الذي واجهه المصممون هو الضغوط المستحثة في طبقات الأكسيد هذه لأنها تترسب فقط في درجات حرارة أعلى. قد يؤدي استخدام هذه الطريقة إلى تشوه الرقاقة غير المقبول لمواصلة معالجة الرقاقة كما هو موضح في الشكل 5.

تسطيح أكسيد الأكسيد عالي التضاريس

نظرًا لارتفاع الأكسيد الناتج ، يجب إجراء إزالة التدفق على الطبقات التالية من أجل إنشاء هيكل جديد. تم التحقيق في عدة طرق لإزالة التضاريس لتحقيق النتيجة المثلى (الشكل 6).

درس المصممون أيضًا خيارات الملاط الأخرى من أجل تسريع العملية ، حيث تم تصميم وصفة ملاط ​​معدل التلميع فائق السرعة. ساعد هذا أيضًا في تمكين إزالة التضاريس العالية كما هو مذكور أعلاه.

عبر العازل الكهربائي (TDVs)

في هذه الحالة ، تم توفير طريقتين – شريحة إضافية مع TSVs أو نسبة عرض إلى ارتفاع عالية TDV من خلال العازل ، كما هو موضح في الشكل 7.

نظرًا لأن طريقة معالجة TSV شائعة ومباشرة وتوفر نتائج مباشرة ، فلا تزال هناك حاجة إلى تصنيع شرائح تشيبليت إضافية جنبًا إلى جنب مع التجميع لإنشاء مثل هذه الشرائح المترابطة. بعد التحقيق ، كان من الواضح أن TDVs كانت أكثر مرونة ولكن TSV chiplets أثبتت أنها أكثر ملاءمة في تصميمات متعددة.

خاتمة

إن تمكين بنية التكامل غير المتجانسة من الجيل التالي ، QMC ، تركز بشكل أساسي على الجمع بين معالجة السيليكون والتجميع المختلط للسماح بكثافات اتصال قابلة للتطوير للغاية وإمكانيات وظيفية إضافية. نفذ المصممون مقياسًا لخطوة الترابط الهجين على مستوى الرقاقة التي أثبتت أنها مهيمنة بحوالي عشر مرات في طاقة ومساحة التوصيل البيني.

أيضًا ، يمكن الاستنتاج أن تدفق التصنيع في QMC مع الوحدات الجديدة الرئيسية كان قابلاً للتطوير بدرجة كبيرة مع تطبيقات متعددة للاستخدام في المستقبل. لتحقيق أقصى إمكانات QMC ، يجب تصميم واجهات الشرائح المعيارية التي ستتيح خلط ومطابقة الشرائح بين الشركات المصنعة المختلفة.

مراجع

[1] خارطة طريق التكامل غير المتجانسة IEEE ، الفصل 2.

[2] A. Elsherbini و SM Liff و JM Swan ، “التكامل غير المتجانس باستخدام التغليف متعدد الاتجاهات ،” اجتماع IEEE الدولي للأجهزة الإلكترونية (IEDM) لعام 2019.