La nuova era dell’integrazione Sip 3D

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Le piattaforme della prossima generazione stanno evolvendo per essere utilizzate per l’implementazione di sistemi emergenti che devono soddisfare le esigenze di una pluralità di applicazioni che spaziano dai data center a Internet of Things, dalle connessioni a velocità comprese tra 400G e 1 Terabit al trasporto ottico, dalle comunicazioni wireless 5G al video con risoluzione a 8K. I conseguenti progressi, in termini di connettività e capacità di elaborazione, hanno un impatto significativo sul mondo dei semiconduttori, dalla tipologia di componenti che vengono realizzati ai sistemi che devono garantire una maggiore efficienza, ai relativi servizi.


Gli scenari emergenti

Il crescente carico di lavoro dei data center della prossima generazione, ad esempio, richiede livelli di potenza di elaborazione, flessibilità ed efficienza in termini di consumi ben superiori rispetto a quelli garantiti dagli attuali server di tipo general-purpose. Le infrastrutture dei data center inoltre, devono essere virtualizzate e rese disponibili sotto forma di servizio su server standard e a basso costo per ridurre la complessità e garantire una maggior scalabilità e rapidità di adattamento ai cambiamenti che si verificano sui mercati e nei sistemi produttivi. Attualmente i miglioramenti in termini di prestazioni hanno subito una battuta d’arresto, a causa soprattutto dei vincoli a livello di consumi. Lo sviluppo di soluzioni per data center in grado di soddisfare le esigenze di carichi di lavoro specifici permette di incrementare l’efficienza a scapito dell’omogeneità e flessibilità della soluzione. La flessibilità è un fattore cruciale perché il tasso di evoluzione dei servizi offerti dai data center è molto elevato e richiede la disponibilità di hardware in grado di assicurare doti di adattabilità. Le problematiche che emergono dal mondo IoT sono simili. Le previsioni indicano una crescita molto sostenuta per questo comparto e la presenza di svariati miliardi di oggetti intelligenti è un obiettivo che sarà raggiunto in un futuro prossimo. Questi oggetti intelligenti sono connessi e comunicano gli uni con gli altri o con il cloud o un data center. L’infrastruttura deve essere in grado di determinare quali dati dovranno essere elaborati e quali invece scartati, ovviamente in tempo reale. Ne consegue che IoT richiede un’infrastruttura connessa, flessibile e capace di garantire una banda molto ampia che consenta di effettuare analisi dettagliate dal data center alla periferia. Fornitori di servizi, data center, servizi di cloud computing e sistemi di storage devono affrontare problematiche complesse per soddisfare le crescenti esigenze del traffico che transita su Internet. Le piattaforme della prossima generazione condividono un denominatore comune: l’esigenza di aumentare ampiezza di banda e funzionalità a fronte di una riduzione sia dei profili dei consumi sia degli ingombri. In sintesi, i dispositivi utilizzati per realizzare queste piattaforme della prossima generazione devono soddisfare contemporaneamente le seguenti esigenze: svolgere più compiti, essere più veloci, occupare meno spazio sulla scheda Pcb e richiedere meno energia.

La prossima generazione di piattaforme

Gli architetti di sistema chiamati a progettare le piattaforme della prossima generazione devono cercare di soddisfare i seguenti requisiti: maggiore ampiezza di banda, minori consumi, ingombri ridotti, integrazione di più funzionalità e aumento del grado di flessibilità. Storicamente, gli architetti di sistema hanno cercato di soddisfare tali esigenze integrando un numero maggiore di componenti discreti sulla scheda Pcb standard, tentando di garantire i più elevati livelli di funzionalità e le migliori prestazioni nel rispetto dei vincoli imposti in termini di budget di potenza. Questo schema di integrazione classico sta raggiungendo i propri limiti non essendo più in grado di soddisfare le necessità dei sistemi della prossima generazione. Tra i principali problemi da affrontare i seguenti:

  • ampiezza di banda tra i chip limitata dalla densità di interconnessione consentita dalla scheda Pcb sottostante;
  • consumi di potenza del sistema troppo elevati a causa della necessità di pilotare le lunghe piste tra i componenti presenti sulla scheda Pcb;
  • fattore di forma troppo grande a causa dell’elevato numero di componenti discreti richiesti per implementare le funzionalità richieste dal sistema.

Per superare queste limitazioni gli architetti di sistema hanno cercato di ricorrere all’integrazione monolitica per alcuni componenti. Questa integrazione comporta l’insorgere di un altro problema, ovvero la maturità dei blocchi IP. I nodi tecnologici con i quali sono sviluppati i diversi blocchi IP sono differenti e ciò si riflette sui tempi della loro disponibilità. Ne consegue che non è possibile integrare in maniera monolitica tutte le funzionalità o i blocchi IP desiderati. Un esempio servirà a chiarire questo concetto. Si supponga che un produttore stia realizzando un chip adottando una tecnologia da 14 nm e desideri integrare a bordo del chip una memoria Dram. L’unica opzione disponibile è quella di utilizzare memorie Dram realizzate con un processo da 40 nm (o ancora più datato). Una situazione di questo tipo costituisce un ostacolo di non poco conto per la realizzazione di una soluzione monolitica. Un altro problema da non sottovalutare è la necessità di garantire una connettività alla massima velocità possibile tra i vari dispositivi. A questo proposito non va dimenticato il fatto che gli standard relativi ai protocolli sono in continua evoluzione e le velocità di trasferimento dati richieste e gli schemi di modulazione tra sistema e sistema variano in continuazione. Da qui la necessità di implementare una soluzione innovativa che permetta di integrare in tempi brevi sia le tecnologie emergenti sia i blocchi IP. Le sfide imposte dai sistemi della prossima generazione hanno permesso di definire uno scenario all’interno del quale sviluppare possibili soluzioni. Le soluzioni di tipo tradizionale non sono in grado di soddisfare le future esigenze che si possono così riassumere: maggior ampiezza di banda, minori consumi, dimensioni ridotte, maggiore flessibilità e integrazione di un numero crescente di funzionalità. Il principale problema da affrontare è lo sviluppo di una soluzione innovativa e appetibile dal punto di vista commerciale in grado di far fronte a queste esigenze.

Tecnologia SiP 3D eterogenea

Il PSG di Intel ha introdotto una tecnologia SiP (System-in-Package) 3D eterogenea ideata per soddisfare le esigenze appena delineate. L’integrazione all’interno di un unico package permette di realizzare una soluzione scalabile che non pone problemi in fase di fabbricazione. La tecnologia SiP 3D eterogenea prevede l’integrazione di diversi componenti unitamente a un Fpga all’interno di un unico package in modo da soddisfare i requisiti imposti a livello di sistema, fornendo soluzioni robuste in tempi più brevi rispetto a quelli richiesti dalle precedenti generazioni (Fig. 1). Un approccio di questo tipo permette di includere in un solo package una vasta gamma di componenti tra cui circuiti analogici, memorie, dispositivi Asic, Cpu e molti altri ancora. L’integrazione SiP 3D di tipo eterogeneo è un approccio unico e innovativo nel settore degli Fpga: esso prevede infatti l’uso di una struttura del core dell’Fpga monolitica (fino a 5,5 milioni di elementi logici) e l’integrazione di più die attorno all’Fpga. Una struttura del core di tipo monolitico ottimizza prestazioni e tasso di utilizzo dei dispositivi e assicura l’elaborazione dei dati alla massima velocità possibile, evitando rallentamenti imputabili a congestioni a livello di routing, “colli di bottiglia” in fase di utilizzo o degrado delle prestazioni. L’integrazione di tecnologie eterogenee in un package SiP è stata possibile grazie all’uso della tecnologia Emib (Embedded multi-die interconnect bridge) sviluppata da Intel per l’implementzione di soluzioni che richiedono caratteristiche di packaging e di collaudo avanzate. La tecnologia Emib prevede un flusso di integrazione molto semplice e garantisce un’interconnessione ad altissima densità tra i vari chip presenti nel medesimo package. Essa inoltre consente l’integrazione sempre nel medesimo package di funzionalità che in passato erano troppo complesse (o costose) da implementare mediante soluzioni di integrazione “in-package” alternative. Tra gli altri vantaggi della tecnologia Emib si possono segnalare: flusso di produzione più semplice, maggiori prestazioni, migliore integrità dei segnali e minore complessità. In pratica Emib è un chip di silicio di ridottissime dimensioni integrato nel substrato del package sottostante e mette a disposizione interconnessioni dedicate ad altissima densità tra i die. La tecnologia Emib non prevede l’uso di interconnessioni Tsv (Through silicon vias) riducendo la complessità in fase di produzione e migliorando le prestazioni in termini di integrità dei segnali e consumi. Senza dimenticare che le dimensioni del chip Emib non pongono limiti al numero dei die che possono essere integrati. Le implementazioni alternative utilizzano un interposer di grandi dimensioni posizionato sulla parte superiore del substrato del package la cui lunghezza è superiore rispetto a quella del die che deve essere integrato. La necessità di utilizzare questo interposer contribuisce non solo ad aumentare i costi ma comporta anche l’insorgere di problemi come il warpage. Le soluzioni alternative al momento disponibili, inoltre, richiedono la presenza di un gran numero di micro bump che utilizzano micro vias, fatto questo che contribuisce ad aumentare la complessità in fase di produzione e a penalizzare la resa produttiva. Oltre a ciò il numero di die che può essere integrato utilizzando gli interposer è limitato, a discapito della scalabilità.

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