Piątek, 28 sierpnia 2020

Chiplet - nowy sposób na stare problemy

Rozwój technologii krzemowej zapewniany przez coraz mniejszy wymiar charakterystyczny procesu, już się praktycznie wyczerpał, bo elementy na strukturze mają już "atomowe" rozmiary, a koszty rozwoju stały się ogromne. W przypadku pamięci ograniczenia skalowania daje się łatwo ominąć przez spiętrzanie struktur, a więc układanie je w stosy po kilkadziesiąt sztuk i łączenie za pomocą przelotek TSV. Ale tę metodę trudno wykorzystać do mikroprocesorów lub FPGA.

Chiplet - nowy sposób na stare problemy

Rynek potrzebuje też dzisiaj układów scalonych dopasowanych do aplikacji, tanich i o specyficznej funkcjonalności, czyli niekoniecznie wytwarzanych w milionach sztuk. Wielu producentów elektroniki chciałoby mieć własny chip, ale skala ich działania jest za mała, aby koszty opracowania w takim obszarze się zwróciły, a wielkość zamówienia otworzyła bramę jakiejś foundry. Przygotowanie projektu układu scalonego też nie jest proste. Wymaga wiedzy, doświadczonych inżynierów i posiadania specjalistycznego oprogramowania. Skala trudności zwiększa się, gdy projekt zawiera obwody analogowe, a przecież takich jest wiele.

Z uwagi na koszty wytwarzania struktura scalona powinna być jak najmniejsza, bo defekty technologii rozkładają się równomiernie na powierzchni krążka krzemu. Stąd uzysk dla ogromnych struktur FPGA i mikroprocesorów jest gorszy niż dla układów o mniejszej skali integracji, co widać w cenach.

Co to jest chiplet?

Koncepcja chipletu jest próbą rozwiązania takich problemów. Polega ona na tym, aby układ scalony zbudować z kilku oddzielnych struktur scalonych umieszczonych na wspólnym podłożu zapewniającym stabilność mechaniczną oraz realizującym połączenia między poszczególnymi strukturami. Podejście takie nie jest oczywiście nowatorskie, bo rozwiązania polegające na budowie układu scalonego z kilku chipów (typu multichip) są znane od wielu lat. Co więcej, prawie zostały one wyparte z rynku przez SoC. Czemu zatem się do nich wraca?

Pomysłem nowym jest to, aby wchodzące w skład układu chipy były elementami standardowymi, czyli dostępnymi z półki w postaci biblioteki. To są właśnie chiplety, czyli klocki Lego, za pomocą których będzie się budować większe i bardziej złożone układy. W tym przypadku nie będą one łączone z innymi za pomocą bondingu drutowego, jak było w przypadku multichipów, ale przez kontakty na spodzie struktury do podłoża z tworzywa przypominającego koncepcyjnie płytkę drukowaną. Odpada zatem czasochłonne i kosztowne łączenie struktur drutem.

W porównaniu do systemów na krzemie też są korzyści. SoC zawierają wiele bloków funkcjonalnych na jednym płatku krzemu, np. procesor, pamięć, interfejsy. Ale dalej jest to jedna duża struktura krzemowa, czyli kosztowna konstrukcja, podatna na uszkodzenia procesowe i mały uzysk oraz wymagająca za każdym razem integracji projektu z wielu bloków IP oraz przygotowania masek itd. Chiplety można wziąć z półki, bez konieczności projektowania, a ich integracja w układ scalony polega na zaprojektowaniu połączeń i wyprowadzeniu kontaktów, czyli na zadaniu zbliżonym złożonością intelektualną do wykonania projektu wielowarstwowej PCB. Poza tym jako elementy standardowe można je produkować w milionach sztuk.

Tymczasem SoC jest specyficzny dla klienta i aplikacji, więc w zakresie skali produkcji jest poza zasięgiem mniejszych firm. Jest jeszcze jedna korzyść - chiplety mogą być układami wykonywanymi w różnych technologiach półprzewodnikowych. Ten od zasilania nie musi być produkowany w tym samym procesie co procesor i pamięć, niekoniecznie w technologii CMOS, ale innej, z punktu widzenia małego specyficznego chipletu lepszej i tańszej. Być może jest to sposób na przedłużenie życia starszym fabrykom.

Przemysł półprzewodnikowy ma wszystko, co potrzeba, aby produkować już dzisiaj chiplety na kilogramy. Brakuje taniej technologii podłożowej, czyli czegoś, co pozwoli te klocki zamocować i połączyć.

O rewolucję w technice dzisiaj jest bardzo trudno. Pomysł zasługujący na to, aby go nazwać przełomem, to rzadkość trafiająca się raz na dekadę. Chiplet nie jest rewolucją ani przełomem, ale daje nadzieję na to, aby własny układ scalony był nie tylko marzeniem.

Robert Magdziak

Polecane

Nowe produkty

Zobacz również