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半导体

探寻后摩尔时代 | 异构集成已成“未来之选”,然后呢……

编者按:过去的半个多世纪,半导体行业一直遵循摩尔定律的轨迹高速发展,如今单纯靠提升工艺来提升芯片性能的方法已经无法充分满足时代的需求,半导体行业也逐步进入了“后摩尔时代”。后摩尔时代的来临,给中国集成电路产业发展带来新的发展机会,《中国电子报》从即日起推出“探寻后摩尔时代集成电路的颠覆性技术”系列报道,对集成电路潜在颠覆性技术进行梳理,探讨每一项技术的发展现状、产业难题、未来前景。敬请关注。

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异构集成正在成为后摩尔时代,延续半导体技术的主流发展方向。异构集成或将成为未来30年系统级芯片的主流技术,集成电路有望进入异构集成时代。但中国科学院院士毛军发告诉记者,发展异构集成要打破集成电路传统“路”的思维,还有很长的路要走。

绕道摩尔定律的重要途径

目前正处于数字经济蓬勃发展的时代,高性能计算、云计算和虚拟化、大数据分析等应用快速发展。这一系列的应用场景也会给处理器带来非常大的工作负载,需要强大算力的支撑。

AMD全球高级副总裁、大中华区总裁潘晓明告诉记者,在半导体设计的黄金时代,人们可以通过工艺的进步,降低每个晶体管的成本,同时得到性能的提升。然而现在每进入一个新的节点,都需要更长的时间才能保证工艺的成熟和稳定,新工艺的成本又在显著增加。这就为人们带来新的挑战,需要探讨在其他方面做出更多的创新,才能进一步提升处理器性能和算力。异构集成正在成为提升芯片算力的重要发展方向。

那么,什么是异构集成呢?英特尔研究院副总裁、英特尔中国研究院院长宋继强指出,异构集成是将不同工艺架构、不同指令集、不同功能的硬件组合成一个计算系统。同时,异构集成也是芯片、封装、系统、软件的协同。它不是单一的技术点,而是多技术点的综合,涉及器件、设计、软件算法等的融合,以实现一个高效的异构系统。

摩尔定律实际上已经成为半导体产业的一面旗帜,但是人们必须摆脱对工艺节点微缩的痴迷才能推动半导体技术持续演进。 

对此,毛军发指出,现在的半导体技术主要有两条发展路线:延续摩尔定律和绕道摩尔定律。当延续摩尔定律面临一系列极限挑战,包括物理原理极限、技术手段极限和经济成本极限的时候,绕道摩尔定律就是一种可行的发展方式。而异构集成电路就是绕道摩尔定律的重要途径之一。

毛军发强调,研究半导体异构集成的科学意义也很显著,可以通过集成电路从目前单一同质工艺向多种异质工艺集成方向发展,从目前二维平面集成向三维立体集成方向发展,从而实现高性能的复杂系统。

毛军发认为,异构集成的特点很突出。一是它可以融合不同半导体材料、工艺、结构和元器件;二是采用系统设计理念;三是应用先进技术比如IP和小芯片(Chiplet),具有2.5维或3维高密度结构。因而使得异构集成芯片可以实现强大且复杂的功能,突破单一半导体工艺的性能极限;同时具有灵活性强、可靠性高、研发周期短,可实现小型化、轻质化等特点。

国际大厂纷纷推出异构集成技术

正因为具有这些优点,异构集成已经成为后摩尔时代半导体技术发展的主要路线,越来越多主流厂商给予高度重视。在今年的Computex(台北电脑展)上,AMD就发布了一款实验性的产品Ryzen 5000,其采用台积电的3D Fabric先进封装技术,成功地将包含有64MB L3 Cache的chiplet以3D堆叠的形式与处理器封装在一起。据AMD介绍,该技术可以提高超过2D芯片200倍的互联密度,与现有的3D封装解决方案相比,互联密度也可达到15倍以上。

基于异构集成技术的发展,英特尔则提出XPU的概念。宋继强表示:“对于英特尔而言,我们推动异构计算的创新,就是通过对不同架构XPU的异构整合,和统一的跨架构编程模型oneAPI实现软硬协同,满足更多工作负载,实现高能效比,帮助客户降低成本,并能根据需求快速给出解决方案。”

在去年“架构日”上,英特尔在EMIB(嵌入式多芯片互连桥接)2D封装、Foveros 3D封装,以及结合2D和3D的CO-EMIB技术基础上,又推出了Hybrid Bonding(混合结合)技术。通过电气连接获得更高的载流能力,加速实现10微米及以下的凸点间距,为异构介质带来更高的互连密度、带宽和更低的功耗。

不仅仅是英特尔与AMD,国际芯片龙头厂商包括英伟达、高通、赛灵思等都对异构集成技术非常重视。国内方面,紫光展锐、北京君正、中星微电子等企业也在积极展开对异构集成的研究与开发,并推出相关产品与解决方案。紫光展锐新推出的唐古拉T770就集成了4核ARM A76、4核ARM A55、Mali-G57GPU以及基带芯片等,是异构集成的典型应用。

需要打破传统“路”的思维

尽管异构集成的发展前景十分广阔,但是想要真正实现起来也并非易事。毛军发强调,由于不同性能、功能的介质紧密耦合,往往相互矛盾,因此在异质电路设计时,要解决电磁-热-应力,多物理协同设计,以及有源/无源电路天线、数字/模拟电路的多功能协同设计问题。在工艺制造方面,异构集成工艺参数调整也会受制于电、热、应力多物理场特性的影响,必须认识其内在关系,掌握工艺量化设计与优化机理。

宋继强也认为,异构集成在硬件方面需要打破单一架构,多架构融合的XPU架构将会成为主流。XPU架构的诞生,对软件提出了更高的要求,因为能够同时掌握多种架构编程语言的开发人员凤毛麟角,而软件是释放硬件性能的关键一环,能够跨架构编程的软件模型以及可以提升编程效率的工具就显得极为重要。

英特尔曾提出六大技术支柱,对XPU的实现起到了关键作用,包括制程、架构、内存、互连、安全和软件。异构计算虽然看似一个硬件层级的内容,但要释放其能力,需要芯片、系统、软件三层一体化考虑,才能够发挥作用。一是芯片层,指在芯片封装内的异构,和“小芯片”概念紧密相联;二是系统层,指多功能多架构的计算架构进行整合;三是软件层,统一的跨架构编程模型oneAPI,可以通过一套软件接口、一套功能库为开发者提供在不同架构上编程的便利性。

面对异构集成的发展,毛军发提出了总体研究思路,即打破集成电路传统“路”的思维,以耦合多物理场理论为基础,以形成异构集成能力为牵引,场、路结合,统领半导体异构集成电路的技术方向。

责任编辑:赵强


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