Интеграция в масштабе пластины - Wafer-scale integration

Интеграция в масштабе пластины, WSI Короче говоря, это редко используемая система построения очень больших Интегральная схема сети, которые используют весь кремниевая пластина произвести единый «суперчип». Ожидалось, что сочетание большого размера и компактной упаковки WSI приведет к значительному снижению затрат на некоторые системы, в частности массивно параллельный суперкомпьютеры. Название взято из термина очень крупномасштабная интеграция, текущее состояние дел на момент разработки WSI.

Концепция

Чтобы понять WSI, нужно рассмотреть обычный процесс изготовления микросхем. Создается один большой цилиндрический кристалл кремния, который затем разрезается на диски, известные как пластины. Затем пластины очищаются и полируются для подготовки к процессу изготовления. Фотографический процесс используется для создания рисунка на поверхности, где материал должен быть нанесен поверх пластины, а где нет. Желаемый материал наносится, и фотографическая маска удаляется для следующего слоя. С этого момента пластина многократно обрабатывается таким образом, накладывая на поверхность слой за слоем схемы.

Множественные копии этих рисунков наносятся на пластину в виде сетки по всей поверхности пластины. После того, как все возможные места нанесены на рисунок, поверхность пластины выглядит как лист миллиметровой бумаги с линиями сетки, очерчивающими отдельные микросхемы. Каждое из этих участков сети проверяется на производственные дефекты с помощью автоматизированного оборудования. Те места, которые обнаруживаются как дефектные, записываются и отмечаются краской (этот процесс называется «нанесением краски на матрицу», однако современное производство пластин больше не требует физической маркировки для идентификации дефектной матрицы). Затем пластина распиливается, чтобы вырезать отдельные стружки. Эти дефектные чипы выбрасываются или перерабатываются, а рабочие чипы помещаются в упаковку и повторно проверяются на наличие повреждений, которые могут возникнуть в процессе упаковки.

Невозможно избежать дефектов на поверхности пластин и проблем во время процесса наслаивания / осаждения, что приводит к дефекту некоторых отдельных чипов. Выручка от оставшихся рабочих чипов должна покрывать полную стоимость пластины и ее обработки, включая выброшенные дефектные чипы. Таким образом, большее количество рабочих фишек или больше Уступать, тем ниже стоимость каждой отдельной микросхемы. Чтобы получить максимальный выход, нужно сделать чипы как можно меньше, чтобы на пластину можно было получить большее количество рабочих чипов.

Подавляющая часть стоимости изготовления (обычно 30-50%)[нужна цитата ] относится к тестированию и упаковке отдельных чипов. Дополнительные затраты связаны с подключением микросхем в интегрированную систему (обычно через печатная плата ). Интеграция в масштабе пластины направлена ​​на снижение этой стоимости, а также повышение производительности за счет создания более крупных микросхем в одном корпусе - в принципе, микросхем размером с целую пластину.

Конечно, это непросто, поскольку с учетом недостатков пластин один большой рисунок, напечатанный на пластине, почти всегда не работает. Постоянной целью является разработка методов обработки неисправных участков пластин с помощью логики, а не их выпиливания из пластины. Как правило, в этом подходе используется сетка из подсхем и «перепайка» вокруг поврежденных участков с использованием соответствующей логики. Если полученная пластина имеет достаточно рабочих подсхем, ее можно использовать, несмотря на неисправности.

Попытки производства

Ранняя попытка WSI Системы трилогии.

Многие компании пытались разработать производственные системы WSI в 1970-х и 80-х, но все потерпели неудачу. TI и ITT оба видели в этом способ развить сложные конвейерный микропроцессоры и снова выйти на рынок, где они теряли позиции, но ни один из них не выпустил никаких продуктов.

Джин Амдал также пытался разработать WSI как метод создания суперкомпьютера, начиная с Системы трилогии в 1980 г.[1][2][3] и привлечение инвестиций от Groupe Bull, Сперри Рэнд и Корпорация цифрового оборудования, который (вместе с другими) предоставил около 230 миллионов долларов финансирования. Конструкция требовала квадратного кристалла 2,5 дюйма с 1200 выводами внизу.

Усилия пострадали от ряда стихийных бедствий, включая наводнения, которые задержали строительство завода, а затем разрушили интерьер чистой комнаты. Прожигав около 1/3 капитала, и нечего было показать, Амдал в конце концов заявил, что эта идея будет работать только с доходностью 99,99%, чего не случится в течение 100 лет. Он использовал оставшийся начальный капитал Trilogy для покупки Elxsi, создатель VAX -совместимых компьютеров, в 1985 году. Работа над Trilogy была в конечном итоге прекращена и "превратилась" в Elxsi.[4]

В 1989 году компания Anamartic разработала стековую память для полупроводниковых пластин на основе технологии Айвор Кэтт,[5] но компания не смогла обеспечить достаточно большие поставки кремниевых пластин и свернула в 1992 году.

19 августа 2019 года стартап Cerebras Systems представил свой прогресс в разработке WSI для ускорение глубокого обучения. Их 16-нм чип TSMC со шкалой вафли - 46,225 мм.2 (215 мм x 215 мм), что составляет прибл. В 56 раз больше, чем у самого большого графического процессора. Он имеет 1,2 триллиона транзисторов, 400 000 ядер AI, 18 ГБ встроенной SRAM и пропускную способность фабрики 100 Пбит / с. Цена и частота пока не разглашаются.[6] В 2020 году продукт компании под названием CS-1 прошел испытания в вычислительная гидродинамика симуляции. По сравнению с суперкомпьютером Джоуля на NETL CS-1 был в 200 раз быстрее, но потреблял гораздо меньше энергии.[7]

Большая часть потерь при производстве микросхем происходит из-за дефектов в слоях транзистора или в нижних металлических слоях с высокой плотностью. Другой подход - кремниевая межсоединительная матрица (Si-IF) - не имеет ни того, ни другого на пластине. Si-IF наносит на пластину только металлические слои с относительно низкой плотностью, примерно такой же плотности, что и верхние слои пластины. система на чипе, используя пластину только для соединяет между плотно упакованными маленькими голыми чиплеты.[8]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Статья журнала Fortune Magazine об истории трилогии, 1986-09-01
  2. ^ СМОЖЕТ ЛИ ТРИЛОГИЯ ИСПОЛНИТЬ СВОЮ МЕЧТУ? / ЭРИК Н. БЕРГ, NYTimes, 8 июля 1984 г.
  3. ^ Трилогия определение в энциклопедии PCMag
  4. ^ Айвор Кэтт: компьютеры для динозавров, МИР ЭЛЕКТРОНИКИ, июнь 2003 г.
  5. ^ "Анамартическая вафельная стопка". История вычислений. Получено 27 сентября 2020.
  6. ^ Катресс, доктор Ян. «Hot Chips 31 Live Blogs: 1,2 триллионный транзисторный процессор для глубокого обучения Cerebras». www.anandtech.com. Получено 2019-08-29.
  7. ^ «Чип Cerebras размером с пластину в 10 000 раз быстрее графического процессора». VentureBeat. 2020-11-17. Получено 2020-11-26.
  8. ^ Пунит Гупта и Субраманиан С. Айер.«Прощай, материнская плата. Привет, Silicon-Interconnect Fabric» 2019.

внешняя ссылка