引言2 D( r! p5 _5 ^$ i( |- `
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]。3 P6 k% k! ?3 s4 i7 s! T# X
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* ?; B9 h/ a. ?# m技术路线图的演变
! r/ c' R& w. k5 t4 S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。8 {4 L% }. g( p) }
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图1:展示AMD的3.5D 封装。 A# s( X- {/ S/ j0 X+ J2 z
( K0 A4 H; c# {* g9 M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。
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理解异构集成* w! U( Z7 c9 ~5 j! R0 z% [& u; ?: o4 f
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。& c: q) l4 I. v' o6 E; Z
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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。+ Y- q! T3 I: K& ]4 D$ ^4 y
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HIR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( r* [- ?% D0 C( f4 Q
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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。) I. j0 b" Z+ ^+ {4 v; m
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7 W$ W% w' J1 P* Y( ?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。
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& U7 f+ ~( I0 `: X# q9 @8 |! h异构集成的挑战和机遇
; @# @/ j+ I! h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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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。$ y0 e% \3 n/ h0 s7 `& \ ~) e
' I3 ]9 f& V5 O: I' x: j' Q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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+ D) I" i" O( L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。
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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
+ z P8 n- p" U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。: N' _: ]8 s' E# `& T& W# T) Y
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7 f, R" p) Q3 E3 G$ b# r B- }图6:概述了异构集成的先进热技术和研究领域。
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' L, b+ ]% R4 d1 J, {3 [8 O$ J: O协同设计:整体方法 t) K. a6 b# V+ `7 A8 q8 Y
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。( e& M% h6 S$ M! N
. J( r6 X$ B7 f5 _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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7 ^4 s2 C4 T( ]8 G5 J. t结论
4 G" @3 j4 @/ ^% q% o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。% H' [; f4 V2 }2 k( R
8 W4 I# Z r" {0 y5 ]- U' G* T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。
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0 \' m& g5 R+ U% i. ~6 Y( l* o! H参考文献. J5 L. b! `: M8 f" A& p8 r
[1] R. Rao, "Heterogeneous Integration Roadmap," presented at CMSE 2024, May 1, 2024.
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+ Y8 Y; M9 c2 D/ G深圳逍遥科技有限公司(Latitude Design Automation Inc.)是一家专注于半导体芯片设计自动化(EDA)的高科技软件公司。我们自主开发特色工艺芯片设计和仿真软件,提供成熟的设计解决方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio,分别针对光电芯片、微机电系统、超透镜的设计与仿真。我们提供特色工艺的半导体芯片集成电路版图、IP和PDK工程服务,广泛服务于光通讯、光计算、光量子通信和微纳光子器件领域的头部客户。逍遥科技与国内外晶圆代工厂及硅光/MEMS中试线合作,推动特色工艺半导体产业链发展,致力于为客户提供前沿技术与服务。
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