Le guide condensé des circuits imprimés en silicium

Avant-propos de Kevin Morris

Avez-vous remarqué qu'il n'y a pas de loi de Moore pour les circuits imprimés ? Bien sûr, nous avons constaté une amélioration progressive de la technologie PCB au cours des deux dernières décennies, mais nous poussons toujours FR4 à peu près de la même manière que nous l'avons toujours fait, et le PCB est maintenant un énorme facteur limitant dans notre capacité à miniaturiser nos systèmes et à les rendre plus fiables.

Est-il temps d'abandonner le FR4 ?

Bob Conn est un gars fascinant - ce que beaucoup d'entre nous en ingénierie considéreraient comme un "homme de la renaissance". Nous sommes ravis de présenter le premier d'une série d'articles de Bob sur les cartes de circuits imprimés en silicium (SiCB). Bob nous expliquera les aspects pratiques de l'utilisation des SiCB dans le monde actuel et nous expliquera comment les SiCB peuvent évoluer en tant que solutions viables pour un segment de plus en plus important de notre travail de conception.

Apprécier!

-Kevin Morris

Dans la série d'articles suivante, je présenterai la conception d'un système de calcul haute performance (HPC) basé sur une carte de circuit imprimé en silicium capable de fournir un pétaflop de performances dans un mètre cube. Cette série couvrira beaucoup de technologie, un peu d'histoire et une bonne quantité de narration. Ce sera un guide de bricolage sur la façon dont je construirais des systèmes en silicium 2,5D et 3D à l'aide de circuits imprimés en silicium.

-Bob Conn

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Le guide condensé des circuits imprimés en silicium

Les cartes de circuits imprimés en silicium (SiCB) sont similaires aux cartes de circuits imprimés (PCB), mais fabriquées avec un substrat en silicium plutôt qu'en FR-4. La matrice nue et la matrice 3D empilée sont les composants prévus, de même que toute pièce emballée avec bosse. Les cartes de circuits imprimés en silicium peuvent être fabriquées dans presque toutes les fonderies de tranches typiques en utilisant un traitement en arrière-plan ou en début de ligne, selon la fonderie.

Les tailles de SiCB se situent entre les PCB et les circuits intégrés (CI). Un PCB typique mesure 10 pouces sur 10 pouces, un SiCB typique mesure 2 pouces sur 3 pouces et un CI mesure moins d'un pouce de côté.

Les interposeurs en silicium, à la différence des cartes de circuits imprimés en silicium, ont généralement une taille limitée par le réticule - environ 1 pouce carré - et sont destinés à entrer dans un boîtier. Les interposeurs en silicium connectent souvent des éléments spécifiquement conçus pour s'interfacer avec l'interposeur en silicium - par exemple, l'interposeur en silicium Xilinx connecte 4 dés FPGA distincts conçus pour l'interposeur. Un certain nombre de fournisseurs proposent désormais la fabrication d'interposeurs en silicium.

Les SiCB ne sont pas limités à la taille d'un réticule. Ils peuvent avoir la taille d'une plaquette. Ils ressemblent plus à de petits PCB avec des dizaines de composants. En retirant simplement les dés de l'emballage et en réduisant la taille des traces, il est possible de transformer une conception basée sur un grand PCB FR-4 en une sur un petit SiCB, qui fait moins d'un quart de la taille.

Une conception HPC sur un SiCB peut inclure 4 grands dés FPGA et 8 ou 16 dés de mémoire, peut-être une puce CPU, des pilotes d'oscillateur / horloge à l'échelle de la puce, des condensateurs de dérivation et des connecteurs d'E / S. Voir Figure 1. Cela peut être d'environ 60 mm x 70 mm et moins de 3 mm d'épaisseur – avec les composants. Ajoutez quelques millimètres de plus pour les dissipateurs thermiques.

Figure 1. Une carte de circuit imprimé en silicium de 58 mm x 68 mm destinée au calcul haute performance

Comment j'ai commencé mes recherches sur les SiCB

Je travaillais chez Xilinx au moment où j'ai commencé à m'intéresser aux SiCB. Nous voulions faire d'énormes simulations SPICE beaucoup plus rapidement. Souvent, nous avions des durées d'exécution en mois, il nous manquait donc beaucoup de vérifications.

J'ai pensé que j'avais besoin d'environ 64 gros FPGA pour exécuter des travaux SPICE environ 100 fois plus rapidement que ce que nous étions capables de faire à l'époque. Mais 64 FPGA et la mémoire associée, les régulateurs, etc., occupent beaucoup d'espace - généralement un rack 19" ou plusieurs circuits imprimés très volumineux. Pourrais-je le rendre beaucoup plus petit ? Je voulais le placer sur mon bureau et faire un travail massif de simulation SPICE.

J'ai partagé ce problème avec deux amis autour d'une bière à la brasserie Los Gatos. Étant donné que j'essayais d'empiler des dés nus (dés de mémoire de configuration sur une puce FPGA) chez Xilinx à l'époque, et que nous avions tous les trois conçu et construit de nombreux PCB à l'aide de FPGA emballés, nous pensions en savoir assez pour connecter un tas de dés FPGA nus sur une seule plaquette - peut-être 8 ou 16 - avec beaucoup de dés de mémoire.

Nous avions tous les trois passé de nombreuses années ensemble à concevoir et assembler des prototypes chez Connsult et Xilinx, et nous savions comment assembler et tester les choses. En utilisant une plaquette de silicium, nous avons décidé que nous pouvions effectuer tout le routage depuis le dessous des dés FPGA en seulement 2 ou 3 couches plutôt que les 6 couches ou plus sur un circuit imprimé FR-4 typique. Nous savions que la fiabilité serait meilleure qu'avec des pièces emballées (nous avions récemment terminé des études de fiabilité à l'appui de cela).

Nous nous attendions également à ce que les performances d'E/S s'améliorent. Et si nous empilions environ 8 de ces tranches, ajoutions des régulateurs de puissance (sur FR-4), connections des ventilateurs et le mettions dans une petite boîte, j'aurais mon superordinateur de bureau. Et peut-être que je pourrais en construire quelques autres pour des amis.

Comment concevoir et construire un SiCB - Un aperçu

Comment concevoir et construire un SiCB prendra quelques mots de plus que cet article. Chaque section fera l'objet d'un futur article. Pour l'instant, voici les faits saillants…

Conception

Ni les outils de mise en page PCB ni les outils de mise en page IC ne sont tout à fait appropriés pour la conception SiCB. L'un ou l'autre fera le travail, et les deux ont des avantages et des inconvénients. Les outils PCB sont bons pour le routage mais doivent produire des fichiers de sortie IC (GDSII) et permettre des dimensions inférieures au micron. Les outils de conception de circuits intégrés concernent principalement la surface et n'ont pas les performances de routage ou la facilité d'utilisation des outils PCB.

Les problèmes d'assemblage affectent le cycle de conception. Par exemple, quelle taille de bosses sont utilisées et sont-elles sur le SiCB ou sur le die nu ?

Les problèmes mécaniques des connecteurs et de la fixation à un PCB doivent être traités.

Acquérir des pièces testées

Des fiches techniques pour les dés nus deviennent disponibles. Cependant, il peut être nécessaire d'appeler l'usine pour en acquérir un. Certaines maisons de mémoire (par exemple, Micron) ont des fiches techniques de puces nues disponibles en ligne. Ces pièces sont entièrement testées sous forme de matrice ; cependant, tous les dés nus ne sont pas entièrement testés. Déterminer combien de tests sont nécessaires et comment le faire présente certains défis.

Fabriquer SiCB

Les SiCB sont fabriqués avec la technologie de fabrication de circuits intégrés à semi-conducteurs. Une chose étrange se produit ici. Les fonderies de classe mondiale ont généralement un réticule limité (zone imageable maximale) et ne peuvent produire que des interposeurs en silicium ou de petits SiCB. Pour les circuits imprimés en silicium plus grands, des points de réticule sont disponibles. Ou nous pouvons nous tourner vers des usines plus anciennes qui peuvent faire un masquage complet des plaquettes.

La métallisation typique du cuivre a une épaisseur de 2 microns. Les tailles minimales appropriées des éléments dans les SiCB sont d'environ 5 microns. Les traces beaucoup plus étroites que cela sont trop lentes pour des courses de plusieurs centimètres. (Les gens de l'interposeur peuvent utiliser des traces étroites car leurs longueurs peuvent n'être que de quelques millimètres.) Et ces tailles de trace sont facilement réalisables par les usines plus anciennes, il y a donc beaucoup de fournisseurs potentiels.

D'autres possibilités de substrat incluent les matières organiques, la céramique et le verre.

La fabrication comprend généralement des vias traversant le silicium (TSV) qui sont aujourd'hui des produits de base.

Assembler

Les SiCB peuvent être assemblés par des sociétés d'assemblage de PCB haut de gamme. Un bon contrôle ESD et des machines de sélection et de placement automatisées sont nécessaires lors de la manipulation de dés nus. L'assemblage des pièces suit les règles typiques de montage en surface. Soit les pièces sont cognées, soit le SiCB est cogné. Des pas de tampon de 30 à 40 microns sont acceptables. Le sous-remplissage de la matrice nue n'est pas nécessaire en raison de la contrainte thermique/mécanique réduite due aux coefficients de température adaptés entre la matrice et le SiCB.

Tester et retravailler

En utilisant des combinaisons d'auto-test, de test de sonde volante et d'appareils de test de test de boîtier et de plaquette modifiés, nous pouvons tester les SiCB assemblés. Des techniques typiques de retouche de PCB sont disponibles pour remplacer les composants.

Questions

Comment obtenez-vous des pièces testées ? Dé bon connu – KGD

L'acquisition de dés nus connus "assez bons" est possible par plusieurs moyens. De plus en plus de maisons de puces proposent des dés nus, mais il faut un peu de recul pour trouver des sources. Et, plus important encore, la première génération de dés nus silicium-silicium (jamais destinés à un boîtier) est disponible. Ces dés nus silicium à silicium peuvent fournir une puissance d'E/S inférieure à 1 pJ par bit. En éliminant le boîtier, les dés destinés aux substrats en silicium sont désormais construits avec plus de 2500 broches d'E/S, ce qui n'est pas possible avec des pièces en boîtier. Pensez aux améliorations de la bande passante mémoire.

Des tests de dés nus et de SiCB pour assurer un rendement maximal sont disponibles. Parfois, le fournisseur fournit KGD, et parfois des tests supplémentaires sont nécessaires. Il existe de nombreuses options ici.

Comment montez-vous et descendez-vous ? Optique ou Cuivre

Un problème des SiCB est leur petite taille. Il est difficile d'imaginer attacher un connecteur cuivre-cuivre typique (par exemple CX-4, USB, etc.) à un morceau de silicium de 4 "x 4" recouvert de dés nus et ne pas le casser instantanément la première fois que quelqu'un branche un câble. Cependant, il existe des moyens de fournir un support mécanique qui peut améliorer la robustesse du SiCB. Les imprimantes 3D offrent des options intéressantes.

Les E/S optiques sont préférées pour les chemins à large bande passante. De plus, les connecteurs optiques peuvent être directement fixés aux SiCB.

Comment obtenez-vous le pouvoir ?

La distribution et le routage de l'alimentation posent des problèmes particuliers pour les dés nus à haute puissance (par exemple, les FPGA et les processeurs) car les gros dés ont été conçus pour s'appuyer sur le substrat du boîtier pour distribuer l'alimentation par incréments de pas millimétriques. Les substrats des boîtiers ont souvent du cuivre de plus de 15 microns d'épaisseur pour distribuer la puissance, tandis que les SiCB peuvent être limités à 2 ou 3 microns. L'une des nombreuses façons d'esquiver ce problème consiste à utiliser des régulateurs de puissance intégrés - mettre des transistors dans le silicium du SiCB.

Comment le gardez-vous au frais ?

Le refroidissement se fait par air, par plaques froides ou, dans certains cas, par immersion. Une bonne gestion du flux d'air grâce à une pile de SiCB espacés de plusieurs millimètres peut gérer 1 kW dans un volume de 4 "x 4" x 4 ". L'utilisation de plaques froides, facilement disponibles aujourd'hui (et elles ne fuient pas), rend le travail de refroidissement plus facile mais plus lourd.

Caractéristiques et avantages

Fiabilité

La fiabilité est améliorée car les coefficients de température sont adaptés - des dés en silicium nu sur une carte de circuit imprimé en silicium. Un facteur important dans mon intérêt pour les SiCB est cette amélioration inhérente de la fiabilité. Lorsque nous parlons de HPC, nous devons parler de la fiabilité du système et de ce qui se passe lorsque des parties du système tombent en panne. Un système à base de SiCB comporte moins de pièces et peut être plus facile à retravailler ou à réparer qu'un système à base de FR-4.

Les SiCB ont également moins d'interfaces d'E/S en raison de l'élimination du boîtier et de la réduction du nombre de points de contrainte thermique/mécanique.

Signalisation

Les vitesses de signalisation sur SiCB sont plus rapides que sur un PCB équivalent car les distances sont plus courtes. L'élimination du boîtier élimine une quantité substantielle d'inductance et de capacité parasites. Parce que les fils sont assez petits (2 microns sur 8 microns, généralement), ils sont quelque peu résistifs, et nous avons un environnement de signalisation merveilleux - avec perte -, donc la terminaison des lignes de transmission n'est pas nécessaire.

Les EMI et l'énergie rayonnée sont réduites.

La signalisation à grande vitesse via un TSV coûte beaucoup d'intégrité de signal s'ils sont beaucoup plus longs que 100 microns. Il existe de nombreuses façons d'esquiver ce problème.

Frais

Aujourd'hui, on peut construire quelques dizaines à quelques centaines de prototypes, selon la taille, pour environ 75 000 $, en utilisant des fonderies de classe mondiale telles que TSMC, Global Foundries, etc. Des navettes deviennent disponibles. De nouveaux procédés utilisant l'ablation laser pour la structuration pourraient rendre les prototypes disponibles pour moins de 25 000 $. Dans de prochains articles, j'écrirai sur un projet en cours dans lequel je suis impliqué pour rendre les processus d'ablation au laser disponibles.

Batterie faible

Les besoins de refroidissement sont quelque peu réduits sur un SiCB par rapport aux PCB car les besoins en alimentation d'E/S ont considérablement diminué - dans certains cas, la puissance d'E/S est inférieure à 10 % de la puissance d'E/S de la pièce emballée. La conception d'E/S personnalisées pour les connexions intra-SiCB peut encore réduire la puissance d'E/S.

De nombreux maillons, mais pas de chaîne… pour l'instant

Les maillons d'une chaîne d'approvisionnement pour la conception de SiCB, l'acquisition de pièces, la fabrication, les tests, l'assemblage et la reprise sont tous disponibles. Ils ne sont pas encore connectés ensemble dans une chaîne d'approvisionnement facilement exploitable, mais à mesure que la technologie progresse, ces liens se rejoindront.

Contrats à terme

Je n'aurais jamais imaginé devoir inventer une nouvelle technologie pour construire mon petit système HPC juste pour pouvoir faire des simulations SPICE, mais j'y suis.

Les prochains articles examineront plus en profondeur les problèmes de SiCB, comment en construire un et comment construire un système HPC 64-FPGA.

Je vous souhaite la bienvenue à vos questions et commentaires.

A propos de l'auteur

Permettez-moi de vous parler un peu de moi-même. Après avoir vécu la meilleure période de ma vie pour aller à l'école, j'ai obtenu mon diplôme de l'UC Berkeley en 1970 et j'ai commencé à travailler comme ingénieur de conception chez National Semiconductor, travaillant sur des tranches de deux pouces avec des tailles de 10 microns.

Cela a conduit à 10 ans de travail chez National, Fairchild et AMI, suivis de 15 ans dans ma propre société de conception, Connsult, faisant toutes sortes d'ingénierie et de prototypage - manipulateurs de plaquettes robotiques, enregistreurs de tickets de stationnement portables, enregistreur de vol pour l'avion Voyager, architecture logicielle, étiquettes d'identification RF, équipement de bureau central de télécommunications, etc. Prix ​​de l'innovateur de l'année. Au cours des 8 dernières années, j'ai travaillé au Research Triangle Institute et à l'UC Berkeley pour développer et concevoir des circuits imprimés en silicium.

J'aime travailler sur des problèmes techniques difficiles. J'ai plus de 70 brevets. J'ai gagné des médailles d'or en aviron. Mon père était directeur de Pan American Airways, je suis donc né au Portugal et j'ai grandi sur différentes îles du Pacifique. J'ai construit mon propre avion et deux maisons. J'ai deux grands garçons et une femme heureuse. Je vis sur l'île d'Hawaï.

Je suis impatient de partager ce que j'ai appris sur les circuits imprimés en silicium et comment j'ai appris à ce sujet.

Bob Conn

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