Balení polovodičů se vyvinulo z tradičních 1D návrhů desek plošných spojů (PCB) k špičkovému 3D hybridnímu spojování na úrovni destiček (waferů). Tento pokrok umožňuje rozteč propojení v řádu jednotek mikronů s šířkou pásma až 1000 GB/s a zároveň zachovává vysokou energetickou účinnost. Jádrem pokročilých technologií balení polovodičů je 2,5D balení (kde jsou součástky umístěny vedle sebe na mezivrstvě) a 3D balení (které zahrnuje vertikální stohování aktivních čipů). Tyto technologie jsou klíčové pro budoucnost HPC systémů.
Technologie 2,5D balení zahrnuje různé materiály pro mezivrstvy, z nichž každá má své výhody a nevýhody. Křemíkové (Si) mezivrstvy, včetně plně pasivních křemíkových destiček a lokalizovaných křemíkových můstků, jsou známé tím, že poskytují nejlepší možnosti zapojení, což je činí ideálními pro vysoce výkonné výpočty. Jsou však nákladné z hlediska materiálů a výroby a čelí omezením v oblasti balení. Aby se tyto problémy zmírnily, stále více se používá lokalizovaný křemíkový můstek, strategicky využívající křemík tam, kde je kritická jemná funkčnost, a zároveň řešící omezení v oblasti balení.
Organické mezivrstvy, využívající vějířovitě tvarované plasty, jsou cenově výhodnější alternativou k křemíku. Mají nižší dielektrickou konstantu, což snižuje zpoždění RC v pouzdře. Navzdory těmto výhodám se organické mezivrstvy potýkají s nedosažením stejné úrovně snížení počtu propojovacích prvků jako pouzdra na bázi křemíku, což omezuje jejich použití ve vysoce výkonných výpočetních aplikacích.
Mezivrstvy ze skla si získaly značný zájem, zejména po nedávném uvedení pouzder pro testovací vozidla na bázi skla společností Intel. Sklo nabízí několik výhod, jako je nastavitelný koeficient tepelné roztažnosti (CTE), vysoká rozměrová stabilita, hladké a ploché povrchy a schopnost podporovat výrobu panelů, což z něj činí slibného kandidáta pro mezivrstvy s možností zapojení srovnatelnou s křemíkem. Kromě technických problémů je však hlavní nevýhodou mezivrstvy ze skla nezralý ekosystém a současný nedostatek velkovýrobních kapacit. S tím, jak ekosystém dozrává a výrobní kapacity se zlepšují, by technologie na bázi skla v oblasti pouzder polovodičů mohly zaznamenat další růst a přijetí.
Pokud jde o technologii 3D balení, hybridní spojování Cu-Cu bez bumpů se stává přední inovativní technologií. Tato pokročilá technika dosahuje trvalého propojení kombinací dielektrických materiálů (jako je SiO2) s vloženými kovy (Cu). Hybridní spojování Cu-Cu může dosáhnout roztečí menších než 10 mikronů, obvykle v řádu jednotek mikronů, což představuje významné zlepšení oproti tradiční technologii mikrobumpů, která má rozteče bumpů přibližně 40-50 mikronů. Mezi výhody hybridního spojování patří zvýšený počet vstupů/výstupů, zvýšená šířka pásma, vylepšené 3D vertikální stohování, lepší energetická účinnost a snížené parazitní účinky a tepelný odpor díky absenci spodní výplně. Tato technologie je však složitá na výrobu a má vyšší náklady.
Technologie 2,5D a 3D balení zahrnují různé techniky balení. V 2,5D balení lze v závislosti na volbě materiálů mezivrstvy rozdělit na mezivrstvy na bázi křemíku, organické vrstvy a sklo, jak je znázorněno na obrázku výše. V 3D balení se vývoj technologie mikro-bump zaměřuje na zmenšení rozměrů rozteče, ale dnes lze přijetím technologie hybridního lepení (metoda přímého spojení Cu-Cu) dosáhnout rozměrů rozteče v řádu jednociferných čísel, což představuje významný pokrok v této oblasti.
**Klíčové technologické trendy, které je třeba sledovat:**
1. **Větší plochy mezivrstvy:** Společnost IDTechEx dříve předpovídala, že vzhledem k obtížnosti překračování limitu velikosti osnovy pro křemíkové mezivrstvy o velikosti 3x, brzy nahradí křemíkové mezivrstvy 2,5D křemíkové můstky jako primární volbu pro balení HPC čipů. Společnost TSMC je hlavním dodavatelem 2,5D křemíkových mezivrstvy pro společnost NVIDIA a další přední vývojáře HPC, jako jsou Google a Amazon, a nedávno oznámila hromadnou výrobu své první generace CoWoS_L s 3,5x větší velikostí osnovy. Společnost IDTechEx očekává, že tento trend bude pokračovat, přičemž další pokroky jsou diskutovány ve zprávě zahrnující hlavní hráče.
2. **Panelové balení:** Panelové balení se stalo významným tématem, jak bylo zdůrazněno na Mezinárodní výstavě polovodičů na Tchaj-wanu v roce 2024. Tato metoda balení umožňuje použití větších mezivrstvy a pomáhá snižovat náklady tím, že se vyrábí více pouzder současně. Navzdory svému potenciálu je stále třeba řešit problémy, jako je řízení deformací. Jeho rostoucí význam odráží rostoucí poptávku po větších a cenově efektivnějších mezivrstvách.
3. **Mezivrstvy ze skla:** Sklo se stává silným kandidátem na materiál pro dosažení jemného zapojení, srovnatelného s křemíkem, s dalšími výhodami, jako je nastavitelný koeficient tepelné roztažnosti (CTE) a vyšší spolehlivost. Mezivrstvy ze skla jsou také kompatibilní s pouzdry na úrovni panelů, což nabízí potenciál pro zapojení s vysokou hustotou zapojení za přijatelnější náklady, což z něj činí slibné řešení pro budoucí technologie pouzder.
4. **Hybridní propojení HBM:** 3D hybridní propojení měď-měď (Cu-Cu) je klíčovou technologií pro dosažení ultrajemných vertikálních propojení mezi čipy. Tato technologie se používá v různých špičkových serverových produktech, včetně AMD EPYC pro stohované SRAM a CPU, a také v řadě MI300 pro stohování bloků CPU/GPU na I/O čipech. Očekává se, že hybridní propojení bude hrát klíčovou roli v budoucím pokroku v oblasti HBM, zejména u vrstvených DRAM přesahujících 16-Hi nebo 20-Hi vrstev.
5. **Spolu-zabalená optická zařízení (CPO):** S rostoucí poptávkou po vyšší datové propustnosti a energetické účinnosti si technologie optického propojení získala značnou pozornost. Spolu-zabalená optická zařízení (CPO) se stávají klíčovým řešením pro zvýšení šířky pásma I/O a snížení spotřeby energie. Ve srovnání s tradičním elektrickým přenosem nabízí optická komunikace několik výhod, včetně nižšího útlumu signálu na velké vzdálenosti, snížené citlivosti na přeslechy a výrazně zvýšené šířky pásma. Díky těmto výhodám je CPO ideální volbou pro datově náročné a energeticky úsporné HPC systémy.
**Klíčové trhy, které je třeba sledovat:**
Primárním trhem, který je hnací silou vývoje technologií 2,5D a 3D balení, je bezpochyby sektor vysoce výkonných výpočtů (HPC). Tyto pokročilé metody balení jsou klíčové pro překonání omezení Mooreova zákona, což umožňuje umístit více tranzistorů, paměti a propojení v rámci jednoho pouzdra. Dekompozice čipů také umožňuje optimální využití procesních uzlů mezi různými funkčními bloky, jako je oddělení I/O bloků od procesních bloků, což dále zvyšuje efektivitu.
Kromě vysoce výkonných výpočtů (HPC) se očekává, že i další trhy dosáhnou růstu díky zavádění pokročilých technologií balení. V sektorech 5G a 6G budou inovace, jako jsou antény v balení a špičková čipová řešení, formovat budoucnost architektur bezdrátových přístupových sítí (RAN). Profitovat z toho budou i autonomní vozidla, protože tyto technologie podporují integraci senzorových sad a výpočetních jednotek pro zpracování velkého množství dat a zároveň zajišťují bezpečnost, spolehlivost, kompaktnost, řízení spotřeby energie a teploty a nákladovou efektivitu.
Spotřební elektronika (včetně chytrých telefonů, chytrých hodinek, zařízení AR/VR, počítačů a pracovních stanic) se stále více zaměřuje na zpracování většího množství dat v menších prostorech, a to i přes větší důraz na náklady. Pokročilé polovodičové pouzdro bude v tomto trendu hrát klíčovou roli, ačkoli metody pouzdření se mohou lišit od metod používaných v HPC.
Čas zveřejnění: 7. října 2024