Передовые технологии монтажа кристаллов для производительности чипов
В мире микроэлектроники, где неустанная гонка за производительностью и энергоэффективностью определяет вектор прогресса, на авансцену выходят не только революционные архитектуры чипов и передовые технологические процессы, но и, на первый взгляд, консервативная область – корпусирование и монтаж кристаллов. Если ранее эти этапы производственного цикла воспринимались как вспомогательные, обеспечивающие лишь физическую защиту хрупкого кремниевого кристалла и его электрическое соединение с внешним миром, то сегодня они преобразуются в ключевой фактор, определяющий возможности современных вычислительных систем, особенно в эпоху стремительного развития искусственного интеллекта.
Возможно, некоторая терминологическая путаница возникла из-за англоязычного термина "packaging", который, будучи переведенным как "упаковка", не в полной мере отражает глубину и сложность происходящих процессов. В русском языке более точными и адекватными терминами представляются "корпусирование" и "монтаж кристаллов". Изначально, функция корпусирования действительно напоминала создание защитной "оболочки" для уязвимого кремниевого элемента. Однако, современный технологический прогресс вывел этот процесс на качественно иной уровень. Теперь это уже не просто "упаковка" в привычном понимании, а скорее высокотехнологичная платформа интеграции, позволяющая объединять множество кристаллов в единую, слаженно работающую систему, оптимизировать межсоединения на микроскопическом уровне и, как следствие, радикально повышать общую производительность.
Почему же именно корпусирование приобрело столь исключительное значение в современной микроэлектронике? Традиционный путь наращивания вычислительной мощности чипов, основанный на неуклонном уменьшении размеров транзисторов, все чаще сталкивается с фундаментальными физическими и экономическими ограничениями. Дальнейшее масштабирование, некогда казавшееся неисчерпаемым ресурсом, становится все более сложным и финансово затратным. Именно в этой ситуации на помощь приходят передовые методы корпусирования, открывающие принципиально новые возможности. Они позволяют преодолеть ограничения традиционного масштабирования, используя концепцию чиплетов – небольших функциональных блоков, каждый из которых изготавливается по наиболее оптимальному технологическому процессу, а затем интегрируется в единый корпус. Технологии 2.5D и 3D монтажа позволяют размещать кристаллы не только бок о бок, но и друг над другом, многократно увеличивая плотность компоновки элементов на единице площади. Сокращение расстояний между кристаллами и беспрецедентное увеличение плотности межсоединений внутри корпуса приводят к значительному ускорению передачи данных и минимизации задержек, что является критически важным для высокопроизводительных вычислений и задач, требующих молниеносной работы с памятью. Более того, передовые методы корпусирования открывают путь к гетерогенной интеграции, позволяя объединять в одном корпусе кристаллы, произведенные по различным технологическим нормам и выполняющие разнообразные функции – будь то центральный процессор, графический ускоритель, блоки памяти или специализированные сопроцессоры. Это, в свою очередь, ведет к созданию более специализированных, гибких и энергоэффективных вычислительных систем.
В авангарде передовых технологий монтажа кристаллов заслуженно находится CoWoS (Chip-on-Wafer-on-Substrate), разработанная компанией TSMC (Taiwan Semiconductor Manufacturing Company), признанным мировым лидером в области контрактного производства полупроводниковой продукции. Впервые представленная около 2012 года, технология CoWoS получила широкое распространение в середине-конце 2010-х годов и продолжает динамично развиваться, совершенствуясь с каждым годом. CoWoS представляет собой яркий пример 2.5D технологии монтажа. В ее основе лежит принцип размещения нескольких кристаллов, таких как центральный процессор, графический процессор и высокоскоростная память HBM, бок о бок на специальном кремниевом интерпозере, который, в свою очередь, устанавливается на подложку. Интерпозер является ключевым элементом технологии CoWoS. Эта тонкая кремниевая пластина, созданная с использованием самых передовых литографических процессов, аналогичных тем, что применяются для производства самих чипов, содержит сверхплотную сеть межсоединений, играющую роль своеобразного "моста" между кристаллами и подложкой. Именно благодаря интерпозеру достигается беспрецедентная плотность соединений и минимальные расстояния между кристаллами, что является определяющим фактором для достижения высочайшей производительности.
Преимущества технологии CoWoS многогранны и впечатляющи. Она обеспечивает рекордную плотность межсоединений, на порядки превосходящую возможности традиционных методов корпусирования. Минимальные задержки сигнала, обусловленные кратчайшими путями передачи данных между кристаллами на интерпозере, гарантируют высокую скорость и оперативность работы системы. CoWoS является идеальной платформой для гетерогенной интеграции, позволяя объединять в единую систему кристаллы различной природы и назначения, создавая сложные и специализированные решения для самых требовательных задач. Особо стоит отметить поддержку высокоскоростной памяти HBM (High Bandwidth Memory). CoWoS активно используется для интеграции HBM памяти непосредственно в непосредственной близости от процессоров, что обеспечивает колоссальную пропускную способность памяти, необходимую для решения задач искусственного интеллекта и высокопроизводительных вычислений.
Сфера применения технологий передового корпусирования, таких как CoWoS, постоянно расширяется и охватывает все более широкий спектр вычислительных систем. Они становятся неотъемлемой частью высокопроизводительных процессоров (HPC), используемых в серверах, суперкомпьютерах и центрах обработки данных. Графические процессоры (GPU), применяемые в игровых консолях, профессиональных графических станциях и ускорителях искусственного интеллекта, такие как NVIDIA H100 и AMD Instinct MI300, также используют CoWoS и аналогичные решения. Ускорители искусственного интеллекта (AI Accelerators), предназначенные для обучения и инференса нейронных сетей, нуждаются в огромной вычислительной мощности и пропускной способности памяти, которые обеспечиваются именно передовыми технологиями монтажа кристаллов. Даже сетевое оборудование, такое как высокоскоростные коммутаторы и маршрутизаторы, все чаще прибегает к передовым технологиям корпусирования для обеспечения необходимой производительности и плотности портов.
Взгляд в будущее открывает еще более захватывающие перспективы. Наряду с 2.5D технологиями, активно развиваются 3D методы монтажа кристаллов, такие как Foveros от Intel. Они позволяют "складывать" кристаллы друг на друга в вертикальной плоскости, достигая еще большей плотности интеграции и открывая новые горизонты для создания компактных и при этом чрезвычайно мощных устройств. Нельзя не упомянуть и такие технологии, как InFO (Integrated Fan-Out) от TSMC и EMIB (Embedded Multi-die Interconnect Bridge) от Intel, предлагающие альтернативные, но не менее эффективные подходы к высокоплотному монтажу кристаллов. Неуклонно растущий спрос на передовые полупроводники, особенно в контексте бурного развития искусственного интеллекта, стимулирует масштабное расширение производственных мощностей в этой стратегически важной области. Ведущие компании, такие как TSMC, активно инвестируют в строительство новых заводов в США и Японии, оснащенных самым современным оборудованием, предназначенным как для производства самих чипов, так и для осуществления передового корпусирования. Это красноречиво свидетельствует о стратегической значимости технологий монтажа кристаллов для будущего микроэлектроники.
Стоит подчеркнуть, что революция в области корпусирования и монтажа кристаллов – это не просто эволюция "упаковки" чипов. Это фундаментальный технологический прорыв, открывающий новую эру в развитии микроэлектроники. Передовые технологии, такие как CoWoS, позволяют преодолеть ограничения традиционного масштабирования, создавать более мощные, энергоэффективные и функциональные чипы, и, без сомнения, являются одним из ключевых факторов, определяющих прогресс в области искусственного интеллекта и высокопроизводительных вычислений. В ближайшие годы мы, несомненно, станем свидетелями еще большего числа инноваций в этой динамично развивающейся области, которые продолжат раздвигать границы возможного в мире микроэлектроники, приближая нас к новым рубежам вычислительной мощности и интеллектуальных возможностей.
Подготовлено с Ультра Бай.
Источник: Антон Муха 3 марта 2025