Почему производители микросхем вкладывают миллиарды в передовую упаковку чипов

Техника укладки нескольких чипов вплотную друг к другу имеет решающее значение для повышения производительности полупроводников.

Инвестиции Samsung в размере 40 миллиардов долларов в производство микросхем в Техасе, о которых было объявлено в понедельник, включают в себя план строительства "передового предприятия по упаковке микросхем", что сделает США на шаг ближе к возможности производить передовые микросхемы искусственного интеллекта на своей территории.

Шаг корейской компании рассматривается как крупная победа администрации Байдена, которая, наряду с Китаем, признала растущую важность передовой упаковки в цепочке поставок полупроводников.

Ведущие мировые производители чипов вкладывают миллиарды долларов в расширение и совершенствование передовых технологий упаковки, полагая, что они будут иметь решающее значение для повышения производительности полупроводников.

Что такое передовая упаковка микросхем?

По мере того как процесс миниатюризации чипов начинает достигать своих физических пределов, производители микросхем вынуждены искать альтернативные способы повышения производительности, чтобы соответствовать все более интенсивным вычислительным потребностям таких технологий, как генеративный ИИ.

Интегрируя или "упаковывая" несколько чипов (как одного вида, так и разных), производители микросхем могут увеличить скорость и эффективность, обходя при этом ограничения миниатюризации.

Каковы примеры передовой упаковки?

Высокопропускная память (HiGH BANDWIDTH MEMORY, HBM)

Высокопроизводительные чипы, такие как графические процессоры Nvidia, требуют огромного объема памяти для хранения вычислений. Даже самые совершенные микросхемы памяти сами по себе не обеспечивают достаточной "пропускной способности" для хранения вычислений и их передачи по мере необходимости.

Чипы памяти с высокой пропускной способностью производятся путем укладки чипов памяти Dram в стопку и соединения их крошечными проводами, проходящими через небольшие отверстия в каждом слое, подобно многоэтажной библиотеке с лифтом, быстро перемещающим большие объемы книг между этажами для сбора и выдачи.

Технология CHIP-ON-WAFER-ON-SUBSTRATE (COWOS)

В случае ИИ-чипа H100 "Hopper" от Nvidia шесть чипов HBM интегрированы с графическим процессором (GPU), разработанным Nvidia и произведенным TSMC, с использованием передовой технологии упаковки Chip-on-Wafer-on-Substrate (CoWoS) тайваньского производителя.

GPU и чипы HBM размещаются на кремниевом элементе, известном как "интерпозер", через который они взаимодействуют друг с другом. Интерпозер затем располагается на базовом слое, или "подложке". Конкуренты TSMC - Samsung и Intel - имеют свои собственные названия для похожих версий одной и той же техники.

Иногда ее называют "2,5D" передовой технологией упаковки, поскольку, хотя слои Dram в HBM уложены один на другой, чипы HBM и GPU располагаются рядом друг с другом. Новый завод Samsung в Техасе сможет производить упаковку как 2.5D, так и HBM, а корейский чипмейкер SK Hynix строит завод по производству HBM в Индиане.

"3D-упаковка" в данном контексте подразумевает вертикальную интеграцию компонентов HBM и GPU, но инженерам еще предстоит выяснить, как обеспечить такую систему достаточным охлаждением и питанием.

INTEGRATED FAN-OUT (INFO)

Усовершенствованная упаковка также полезна, когда чип эксплуатируется в ограниченных физических пределах. Чипы, используемые в смартфонах, являются хорошим примером, поскольку логические микросхемы не могут быть значительно уменьшены, а смартфоны не могут быть значительно увеличены.

В 2017 году тайваньский производитель микросхем TSMC совместно с компанией Apple представил новую передовую технологию упаковки под названием Integrated Fan-Out. Она предполагает интеграцию логических микросхем и микросхем памяти вплотную друг к другу с помощью нового "перераспределительного слоя" высокой плотности, что повышает производительность и устраняет необходимость в более толстом базовом слое.

Каковы последствия для отрасли?

Передовая упаковка требует более тесного сотрудничества между специалистами отрасли.

Например, компания TSMC, не имеющая опыта производства микросхем памяти, тесно сотрудничает с лидером рынка HBM компанией SK Hynix, не имеющей опыта производства логических микросхем, в разработке ИИ-чипов Nvidia.

Samsung Electronics и Intel, между тем, имеют опыт работы как в области производства логических схем и микросхем памяти, так и в области передовой упаковки, что означает, что они потенциально смогут предложить клиентам интегрированные услуги во всех трех областях.

Рост значимости усовершенствованной упаковки также дает возможность производителям микросхем второго уровня и традиционным компаниям, занимающимся упаковкой, которые инвестируют в собственные возможности по производству передовой упаковки, завоевать большую долю полупроводникового рынка объемом 500 млрд долларов.