Опаковките на полупроводници са еволюирали от традиционни 1D дизайни на печатни платки до авангардни 3D хибридни връзки на ниво пластина. Това усъвършенстване позволява разстояние между връзките в диапазона от едноцифрени микрони, с честотна лента до 1000 GB/s, като същевременно се поддържа висока енергийна ефективност. В основата на съвременните технологии за опаковане на полупроводници са 2.5D опаковката (където компонентите са поставени един до друг върху междинен слой) и 3D опаковката (което включва вертикално подреждане на активни чипове). Тези технологии са от решаващо значение за бъдещето на HPC системите.
2.5D технологията за опаковане включва различни материали за междинни слоеве, всеки със своите предимства и недостатъци. Силициевите (Si) междинни слоеве, включително напълно пасивни силициеви пластини и локализирани силициеви мостове, са известни с това, че осигуряват най-добрите възможности за окабеляване, което ги прави идеални за високопроизводителни изчисления. Те обаче са скъпи по отношение на материали и производство и се сблъскват с ограничения в областта на опаковане. За да се смекчат тези проблеми, използването на локализирани силициеви мостове се увеличава, като стратегически се използва силиций там, където фината функционалност е от решаващо значение, като същевременно се справят с ограниченията в областта.
Органичните междинни слоеве, използващи формовани пластмаси, са по-рентабилна алтернатива на силиция. Те имат по-ниска диелектрична константа, което намалява RC закъснението в корпуса. Въпреки тези предимства, органичните междинни слоеве трудно постигат същото ниво на намаляване на междусвързващите характеристики като корпусите на силициева основа, което ограничава тяхното приложение във високопроизводителни изчислителни приложения.
Междинните стъклени слоеве предизвикаха значителен интерес, особено след неотдавнашното пускане на Intel на пазара на корпуси за тестови превозни средства на основата на стъкло. Стъклото предлага няколко предимства, като например регулируем коефициент на термично разширение (CTE), висока размерна стабилност, гладки и плоски повърхности и способността да поддържа производството на панели, което го прави обещаващ кандидат за междинни слоеве с възможности за окабеляване, сравними със силиция. Освен техническите предизвикателства обаче, основният недостатък на междинните стъклени слоеве е незрялата екосистема и настоящата липса на мащабен производствен капацитет. С развитието на екосистемата и подобряването на производствените възможности, технологиите на основата на стъкло в полупроводниковите корпуси може да претърпят по-нататъшен растеж и внедряване.
По отношение на технологията за 3D опаковане, хибридното свързване без издатини Cu-Cu се превръща във водеща иновативна технология. Тази усъвършенствана техника постига постоянни взаимовръзки чрез комбиниране на диелектрични материали (като SiO2) с вградени метали (Cu). Хибридното свързване Cu-Cu може да постигне разстояния под 10 микрона, обикновено в диапазона от едноцифрени микрони, което представлява значително подобрение спрямо традиционната технология за микро-издатини, която има разстояния между издатини от около 40-50 микрона. Предимствата на хибридното свързване включват увеличени входно-изходни данни, подобрена честотна лента, подобрено 3D вертикално подреждане, по-добра енергийна ефективност и намалени паразитни ефекти и термична устойчивост поради липсата на запълване на дъното. Тази технология обаче е сложна за производство и има по-високи разходи.
Технологиите за 2.5D и 3D опаковане обхващат различни техники за опаковане. При 2.5D опаковането, в зависимост от избора на материали за междинния слой, то може да бъде категоризирано в междинни слоеве на силициева основа, органична основа и стъклена основа, както е показано на фигурата по-горе. При 3D опаковането, развитието на технологията за микро-издуване има за цел да намали размерите на разстоянието между слоевете, но днес, чрез приемане на технология за хибридно свързване (метод за директно свързване Cu-Cu), могат да се постигнат едноцифрени размери на разстоянието между слоевете, което бележи значителен напредък в областта.
**Ключови технологични тенденции, които да следите:**
1. **По-големи области на междинните слоеве:** IDTechEx преди това прогнозира, че поради трудността силициевите междинни слоеве да надвишат ограничението за 3 пъти размера на мрежата, 2.5D силициеви мостови решения скоро ще заменят силициевите междинни слоеве като основен избор за опаковане на HPC чипове. TSMC е основен доставчик на 2.5D силициеви междинни слоеве за NVIDIA и други водещи HPC разработчици като Google и Amazon, а компанията наскоро обяви масово производство на своя CoWoS_L от първо поколение с 3.5 пъти размер на мрежата. IDTechEx очаква тази тенденция да продължи, като по-нататъшните подобрения ще бъдат обсъдени в доклада, обхващащ основните играчи.
2. **Панелно опаковане:** Панелното опаковане се превърна в значителен фокус, както беше подчертано на Международното изложение за полупроводници в Тайван през 2024 г. Този метод на опаковане позволява използването на по-големи междинни слоеве и спомага за намаляване на разходите чрез едновременно производство на повече корпуси. Въпреки потенциала си, все още е необходимо да се решат предизвикателства като управлението на деформациите. Нарастващото му значение отразява нарастващото търсене на по-големи и по-рентабилни междинни слоеве.
3. **Междинни стъклени слоеве**: Стъклото се очертава като силен кандидат за материал за постигане на фино окабеляване, сравнимо със силиция, с допълнителни предимства като регулируем CTE и по-висока надеждност. Междинните стъклени слоеве са съвместими и с опаковки на ниво панел, предлагайки потенциал за окабеляване с висока плътност на по-управляеми разходи, което го прави обещаващо решение за бъдещи технологии за опаковане.
4. **HBM хибридно свързване**:** 3D медно-медното (Cu-Cu) хибридно свързване е ключова технология за постигане на вертикални връзки с ултрафина стъпка между чиповете. Тази технология е използвана в различни сървърни продукти от висок клас, включително AMD EPYC за подредени SRAM и CPU, както и серията MI300 за подреждане на CPU/GPU блокове върху I/O кристали. Очаква се хибридното свързване да играе ключова роля в бъдещите подобрения на HBM, особено за DRAM стекове, надвишаващи 16-Hi или 20-Hi слоя.
5. **Комплектовани оптични устройства (CPO):** С нарастващото търсене на по-висок капацитет за данни и енергийна ефективност, технологията за оптично свързване привлече значително внимание. Комплектованите оптични устройства (CPO) се превръщат в ключово решение за подобряване на I/O честотната лента и намаляване на консумацията на енергия. В сравнение с традиционното електрическо предаване, оптичната комуникация предлага няколко предимства, включително по-ниско затихване на сигнала на дълги разстояния, намалена чувствителност към кръстосани смущения и значително увеличена честотна лента. Тези предимства правят CPO идеален избор за енергийно ефективни HPC системи с интензивно използване на данни.
**Ключови пазари за наблюдение:**
Основният пазар, който движи развитието на 2.5D и 3D технологиите за опаковане, несъмнено е секторът на високопроизводителните изчисления (HPC). Тези усъвършенствани методи за опаковане са от решаващо значение за преодоляване на ограниченията на закона на Мур, позволявайки разполагането на повече транзистори, памет и взаимовръзки в рамките на един корпус. Декомпозицията на чиповете позволява и оптимално използване на технологичните възли между различните функционални блокове, като например отделяне на входно/изходните блокове от обработващите блокове, което допълнително повишава ефективността.
В допълнение към високопроизводителните изчисления (HPC), се очаква и други пазари да постигнат растеж чрез приемането на усъвършенствани технологии за пакетиране. В секторите 5G и 6G, иновации като пакетиране на антени и авангардни чип решения ще оформят бъдещето на архитектурите на безжичните мрежи за достъп (RAN). Автономните превозни средства също ще се възползват, тъй като тези технологии поддържат интеграцията на сензорни комплекти и изчислителни устройства за обработка на големи количества данни, като същевременно гарантират безопасност, надеждност, компактност, управление на мощността и температурата, както и икономическа ефективност.
Потребителската електроника (включително смартфони, смарт часовници, AR/VR устройства, персонални компютри и работни станции) е все по-фокусирана върху обработката на повече данни в по-малки пространства, въпреки по-големия акцент върху цената. Усъвършенстваното пакетиране на полупроводници ще играе ключова роля в тази тенденция, въпреки че методите за пакетиране може да се различават от използваните в високопроизводителните изчисления (HPC).
Време на публикуване: 07 октомври 2024 г.