Marvell | 异构集成的技术路线图

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引言
1 \& f4 V2 m! }, \( x7 j% `半导体行业长期依赖技术路线图来指导其发展并促进合作。这一传统始于1993年的美国国家半导体技术路线图（NTRS），后来演变为国际半导体技术路线图（ITRS）。如今，随着进入半导体技术的新时代，异构集成路线图（HIR）成为焦点，应对将多样化组件集成到统一系统中的挑战和机遇[1]。
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技术路线图的演变
半导体技术路线图的旅程始于戈登·摩尔博士在德克萨斯州欧文组织的一次富有远见的研讨会。这次活动汇集了179位技术专家，共同创造了行业未来的愿景。1993年发布的NTRS成为第一个开源半导体技术路线图。
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# v. K, ^8 k, S) Y  j( a图1：展示AMD的3.5D 封装。
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随着行业全球化，NTRS扩展为包括国际合作的ITRS，始于1998年。这项全球努力持续到2016年，ITRS的最后一版发布。认识到持续合作的重要性，ITRS的异构集成团队决定继续推进路线图工作，聚焦于摩尔定律进展的下一个时代和电子技术复兴。

理解异构集成
异构集成指将不同组件组装成更高级系统。这种方法包括多个方面：

材料：集成具有不同特性的材料。

组件类型：结合集成电路、光电子技术、微机电系统和传感器。

线路类型：整合DRAM、Serdes、逻辑、射频和电源线路。

硅节点：集成来自不同工艺技术的组件。

键合和互连方法：利用各种技术连接组件。
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+ d( q9 ]  _% `图2：展示了复杂的异构集成例子，显示多个Chiplet堆叠在有源中间层上。
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+ T' l# r/ g5 t$ i$ u3 j" LHIR涵盖广泛主题，组织成几个关键领域：

集成过程

异构集成组件

系统和市场应用

跨领域主题
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( s" i# i8 Q4 a6 q7 D  l- C% ]6 O; a" m这些领域进一步分为23个章节，涵盖从单芯片集成到新兴研究材料和安全考虑的各个方面。
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图3：显示异构集成路线图的结构，展示其各个章节和重点领域。

异构集成的挑战和机遇
8 j) I( O0 c+ L5 U. c& o( N: l) j5 ]随着行业向更复杂的集成系统发展，新的挑战出现。最关键的领域之一是可靠性。异构集成引入了新的多尺度芯片封装相互作用和多物理失效模式，需要解决。
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0 D6 y0 L! w$ E! g9 l8 Q3 v! f图4：显示异构集成系统的可靠性浴盆曲线，说明多个竞争性失效模式。
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6 g. D# `# g9 c6 P6 y) |+ |" d为应对这些挑战，行业正在开发新的方法来管理可靠性。这些方法结合了自下而上的物理模型和自上而下的大数据分析。目标是创建"数字孪生"——物理系统的虚拟表示，可以预测和管理产品整个生命周期的可靠性。

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( A0 A% M1 i, \6 D1 A6 D图5：展示了管理可靠性的"数字孪生"概念，显示自下而上和自上而下方法的融合。

HIR概述了未来15年可靠性进展的路线图：

1-5年：开发多物理融合方法用于可靠性保证，结合基于物理和机器学习的工具。

5-10年：为下一代稳健HI系统的协同设计和预测健康管理（PHM）创建融合方法，关注容错和弹性设计。

10-15年：发展到具有集成自主生命周期管理能力的智能、自适应和可重构产品，包括自我认知和自我修复系统。
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热管理：关键挑战
3 t" O" E7 ^) e( G5 [随着系统集成度越来越高，热管理变得越来越重要。HIR确定了热技术进步的几个关键领域：

热界面材料：开发更高效的材料用于组件间的热传递。

高性能计算多芯片模块的系统热限制：推动高性能计算应用的冷却边界。

嵌入式液体冷却：探索芯片和芯片堆叠的先进冷却技术。

先进热材料：研究具有优异热性能的新材料。

热机械建模：开发更好的工具来预测和管理异构系统中的热应力。
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5 H; w& T9 J* K3 z3 U图6：概述了异构集成的先进热技术和研究领域。
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. ~5 }0 y! x; R. v" Z) d) {协同设计：整体方法
为充分实现异构集成的潜力，协同设计方法不可或缺。这种方法同时考虑系统设计的各个方面，包括：

布局和布线

架构

电磁和电气考虑

热管理

智能材料

测试和可靠性

机械考虑
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图7：显示多尺度和多物理芯片封装相互作用（CPI）流程，说明异构集成中协同设计的复杂性。

协同设计方法需要大量基础设施和研究支持。大学在通过研究和人才培养推动该领域发展方面发挥关键作用。此外，开源工具和行业标准等共享资源对促进合作和创新极为重要。
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6 {  K3 O% ^" o( D3 Z; ~结论
# g8 h  [. j3 t9 s& q异构集成代表半导体技术的新前沿。通过结合多样化的组件和技术，可以提供高性能和功能。然而，这种方法也在设计、制造和可靠性方面带来新的挑战。

- k- g. A9 [# U: {异构集成路线图为行业提供指导，概述关键研究领域和技术里程碑。未来，整个生态系统的合作——从材料供应商到系统集成商——将是成功的关键。


参考文献
9 s9 B6 r3 Y1 b1 w2 N! v[1] R. Rao, "Heterogeneous Integration Roadmap," presented at CMSE 2024, May 1, 2024.
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