El futuro de las computadoras: apilamiento de chips 3D

Un laboratorio avanzado de embalaje de materiales aplicados y STAR en Singapur

En unas pocas semanas, Intel lanzará Ivy Bridge, las primeras piezas de 22 nm producidas en masa y, lo que es más importante, las primeras en utilizar transistores FinFET de “tres puertas” 3D. Estas CPU serán increíblemente rápidas y consumirán muy poca energía, pero en última instancia son solo otro esfuerzo de último momento para exprimir un poco más de vida a un material y proceso que pronto chocará contra una pared. La informática sigue siendo predominantemente de un solo subproceso; lanzar más transistores y más núcleos a un problema solo te llevará hasta cierto punto.

Afortunadamente, existe otra tecnología en proceso de maduración que debería proporcionar una vitalidad muy necesaria a la industria del silicio: el apilado de chips, o para dar su nombre formal, el empaquetado de chips 3D a nivel de oblea. El apilamiento de chips es exactamente lo que parece: se toma un chip de computadora completo (por ejemplo, DRAM) y luego se coloca encima de otro chip (una CPU). Como resultado, dos chips que solían estar separados por centímetros en una placa de circuito ahora son menos de un milímetro aparte. Esto reduce el consumo de energía (transmitir datos a través de cables de cobre es un negocio complicado) y también mejora enormemente el ancho de banda.

Máquina de materiales aplicados en el laboratorio de SingapurSin embargo, obviamente, no puedes simplemente tomar un chip DRAM y colocarlo encima de una CPU. Los chips deben diseñarse teniendo en cuenta el apilado de chips, y se necesita maquinaria especializada para alinear los troqueles y unirlos. Con este fin, Applied Materials, la empresa que hace que todas las máquinas utilizadas por Intel, TSMC, Samsung, GloFo y todos los demás fabricantes de semiconductores, y el Instituto de Microelectrónica (IME) de A * STAR han anunciado la apertura de un laboratorio de envasado de chips 3D de última generación en Singapur. Construido con una inversión combinada de más de $ 100 millones, el Centro de Excelencia en Empaque Avanzado cuenta con una sala limpia de 14,000 pies cuadrados que contiene una línea de producción completa de 300 milímetros y herramientas de empaque 3D que son exclusivas de A * STAR. Sin embargo, el Centro no es una fábrica comercial: en realidad está diseñado como una instalación para que otras empresas, como TSMC o Samsung, vengan y experimenten con empaques 3D. En lo que respecta a Applied Materials, por supuesto, esta es una excelente manera de demostrar y vender sus máquinas.



Apilamiento de chips Bump + RDL + TSV (Transposer a continuación)Hay tres formas principales de apilar chips, todas las cuales estarán disponibles en el nuevo centro de investigación. La técnica más básica (Bump + RDL) consiste en apilar dos fichas juntas y luego conectarlas a una ficha invertida en la parte inferior de la pila; los chips están físicamente cerca, lo cual es un buen paso adelante, pero no pueden comunicarse directamente entre sí. Esta técnica ya se utiliza en algunos SoC para colocar DRAM encima de la CPU. La segunda técnica, que también es la más compleja, se llama a través de silicio (TSV, en la imagen de la derecha). Con TSV, los canales de cobre verticales están integrados en cada dado, de modo que cuando se colocan uno encima del otro, los TSV conectan los chips entre sí. Esta es la técnica que IBM y 3M utilizarán para apilar cientos de memorias muere juntas para hacer DRAM de superdensidad. Hasta ahora, TSV solo se ha utilizado realmente en los sensores CMOS de las cámaras, pero la adopción aumentará en los próximos años a medida que la tecnología madure.

La tercera técnica, que técnicamente no es apilamiento, pero aún cuenta como 'empaquetado avanzado', utiliza un transpositor de silicio (en la foto de arriba, debajo de los chips apilados). Un transpositor es efectivamente una pieza de silicio que actúa como una 'mini placa base', conectando dos o más chips juntos (si recuerda tablero de circuitos desde sus días como ingeniero electrónico en ciernes, es el mismo tipo de cosas, pero en una escala mucho menor). La ventaja de esta técnica es que puede aprovechar los beneficios de un cableado más corto (mayor ancho de banda, menor consumo de energía), pero no es necesario cambiar los chips constituyentes. Se espera que los transmisores se utilicen en las próximas tarjetas gráficas Nvidia y AMD con múltiples GPU.

En teoría, casi no hay límite para la cantidad de troqueles que se pueden apilar de esta manera. Applied Materials, Micron y Samsung han estado discutiendo la idea de un DIMM de ocho capas, pero en una entrevista, Applied Materials nos dice que deberían ser posibles más capas. La única restricción real es la generación y disipación de calor, que limitará la cantidad de CPU que puede tener en una pila, pero no hay razón para que un SoC completo (CPU, DRAM, flash NAND, radios, IC de administración de energía y GPU) no se podría construir en un solo silicio a través de un chip. Según Applied Materials, esto permitiría paquetes que son alrededor de un 35% más pequeños, consumen un 50% menos de energía y funcionan significativamente más rápido, características deseables cuando se trata de teléfonos inteligentes y tabletas. En el futuro, es probable que TSV domine cualquier espacio que valore la eficiencia energética, como los dispositivos móviles y los servidores.

Beneficios del apilamiento de chips TSV

Por último, el apilamiento de chips obviamente funciona en sinergia con los FinFET 3D de Intel, aunque, curiosamente, no hay señales de TSV en la hoja de ruta de Intel, mientras que TSMC lo supera. Quizás lo más importante que hay que recordar es que los nuevos procesos de producción y envasado tardan mucho en implementarse: Intel ha tardado 10 años en resolver la producción en masa de FinFET y, del mismo modo, el apilado de chips se ha promocionado como la próxima gran novedad para casi tanto tiempo. Applied Materials y el nuevo laboratorio de empaquetado 3D de IME es definitivamente un paso en la dirección correcta, pero no espere que su próxima CPU de escritorio tenga DRAM apilada encima; todavía tenemos un par de años al menos.

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