Технология гибридного соединения готова произвести революцию в индустрии чипов

Гибридное соединение, также известное как прямое соединение межсоединений, обещает преобразить полупроводниковую отрасль, обеспечивая повышение производительности, эффективности и снижение энергопотребления. По мере замедления закона Мура становится очевидной необходимость более продвинутых решений для упаковки чипов, и гибридное соединение выходит на первый план как ключевое решение.

Хотя полупроводниковая индустрия ранее использовала передовые методы упаковки, всё больше осознается, что возможности традиционных технологий достигли своего предела. Это привело исследователей и инженеров к акценту на гибридном соединении, которое позволяет достичь более высокой плотности межсоединений по сравнению с традиционными медными микрошариками.

Гибридное соединение решает проблему, уменьшая размеры межсоединений, что улучшает эффективность и скорость передачи сигналов. Истоки технологии берут начало в исследованиях, проведённых в конце 2000-х - начале 2010-х годов. В последние годы были достигнуты значительные успехи, особенно компаниями, такими как Adeia, совершенствующими методы гибридного соединения для удовлетворения растущих требований к производительности, плотности межсоединений и тепловому управлению в полупроводниковых устройствах.

Ключевые особенности гибридного соединения

Одной из наиболее захватывающих особенностей гибридного соединения является его способность интегрировать чипы разных узлов, функций и производителей в гетерогенной форме, сохраняя при этом эффективность монолитной сборки. Эта гибкость способствовала переходу к дизайнам на основе чиплетов, где меньшие компоненты кремния соединяются с использованием стандартных интерфейсов, что значительно снижает производственные затраты и ускоряет инновации в области систем на кристалле (SoC).

Гибридное соединение снижает зависимость от дорогостоящего уменьшения транзисторных узлов и вводит доступные стандартные чиплеты, способствуя развитию продуктов и снижая затраты на производство.

Еще одна важная черта гибридного соединения — способность достигать интервалов межсоединений до 0,4 мкм, что значительно меньше, чем стандартные 35 мкм для микрошариков. Это приводит к увеличению плотности входов/выходов (I/O), снижению сопротивления, ёмкости и индуктивности, что, в свою очередь, обеспечивает более быструю и энергоэффективную передачу сигналов. Гибридное соединение также упрощает производственный процесс, так как оно формируется в рамках стандартного процесса создания интегральных схем, исключая многие дополнительные шаги, требуемые для микрошариков, которым необходим дополнительный нагрев и обработка.

Этот подход также устраняет проблемы, связанные с уменьшением размеров микрошариков и рисками коротких замыканий и проблем с надёжностью. Поскольку гибридное соединение происходит при комнатной температуре, оно избегает процессов с высокой температурой, обычно необходимых для микрошариков, что делает его привлекательной альтернативой для передовых методов упаковки.

Гибридное соединение на практике

Гибридное соединение нашло ключевое применение в производстве датчиков изображения, где лидерство удерживает Sony. Раннее внедрение этой технологии позволило Sony производить многослойные датчики изображения с уникальными характеристиками, и в настоящее время более 90% отрасли датчиков изображения использует гибридное соединение в своей продукции. Помимо визуализации, производители NAND, такие как YMTC, Kioxia и WD, интегрировали гибридное соединение для повышения производительности своих новых архитектур. Другие производители памяти также готовятся внедрить эту технологию, что подчеркивает её растущую значимость в приложениях памяти.

Гибридное соединение также завоёвывает популярность в радиочастотных устройствах, где требуется высокая скорость и низкая плотность входов/выходов, что делает технологию идеально подходящей. Кроме того, производители динамической оперативной памяти (DRAM) и модулей для высокопроизводительных вычислений планируют внедрить межсоединения на основе гибридного соединения в свои производственные линии. С 2022 года AMD активно использует SoC с гибридным соединением в своих продуктах, что дополнительно демонстрирует потенциал технологии.

Преимущества гибридного соединения

Гибридное соединение предоставляет множество преимуществ, стимулирующих его внедрение в полупроводниковой индустрии. Оно обеспечивает до 10 000 раз большую плотность межсоединений по сравнению с традиционными технологиями микрошариков, что позволяет быстрее передавать сигналы при меньшем потреблении энергии. Меньший размер межсоединений снижает индуктивность, ёмкость и сопротивление, что значительно улучшает скорость и производительность передачи сигналов.

Масштабируемость — еще одно ключевое преимущество, так как гибридное соединение позволяет создавать более точные и мелкие межсоединения. Текущие исследования показывают минимальный шаг в 0,4 мкм, с возможностью дальнейшего уменьшения в будущем. Технология также упрощает производственный процесс, особенно при создании памяти с высокой пропускной способностью, требуя меньше этапов по сравнению с методами микрошариков, что приводит к снижению затрат и повышению производственной эффективности. Кроме того, гибридное соединение предоставляет системным архитекторам больше гибкости, позволяя интегрировать гетерогенные компоненты и создавать более креативные и индивидуальные проекты для SoC.

Улучшение тепловых характеристик

С увеличением плотности транзисторов и внедрением технологий вертикальной укладки кристаллов (3D-структур), управление тепловыми потоками становится одной из самых сложных задач в проектировании современных микросхем. По мере того как количество транзисторов на единицу площади продолжает расти, а чипы становятся многослойными, выделение тепла внутри таких структур значительно увеличивается. Накопление тепла и проблемы с его отводом могут негативно сказаться на производительности, надежности и сроке службы устройств. Поэтому для сохранения высоких показателей эффективности и долговечности требуется разработка новых методов управления теплом.

Одним из перспективных решений этих проблем стало гибридное соединение кристаллов. Эта технология позволяет объединять несколько полупроводниковых кристаллов в одной многослойной структуре с минимальными тепловыми потерями. В отличие от традиционных способов соединения, гибридное соединение улучшает тепловые характеристики благодаря снижению температурного перепада между слоями кристаллов.

Это достигается за счет уменьшения теплового сопротивления между слоями, что обеспечивает более равномерное распределение тепла и ускоренный его отвод от горячих зон кристалла. В результате, даже при интенсивной нагрузке и плотном размещении компонентов, температура отдельных участков чипа остаётся в пределах допустимых норм, что исключает перегрев и снижает риск деградации материалов.

Благодаря гибридному соединению, многослойные чипы получают эффективный доступ к памяти и другим функциям без потерь в производительности, что позволяет укладывать несколько кристаллов на одну подложку. Это важно для высокопроизводительных вычислительных систем, таких как серверы, графические процессоры и системы искусственного интеллекта, где требования к объему памяти и скорости обработки данных крайне высоки. Гибридное соединение также помогает минимизировать задержки при передаче данных между слоями кристаллов, что особенно актуально для современных задач, связанных с ИИ, машинным обучением и обработкой больших данных.