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무어를 넘어서, 이기종 통합을 향한 삼성의 길

출시일 : 2021. 10. 11.

무어를 넘어서, 이기종 통합을 향한 삼성의 길
삼성무어 이기종 통합
최근 열린 2021년 삼성파운드리 포럼에서 삼성은 2/3nm 공정 기술의 새로운 진보를 공개하고 새로운 17nm 공정을 공개했습니다. 강문수 삼성 마케팅 전략 부사장도 이기종 통합에 대한 삼성의 계획과 업계 파트너를 위한 무어의 법칙에 또 다른 차원을 추가하는 방법을 발표했다.
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플래그십 GPU와 모바일 칩의 면적 변화 비교 / 삼성

수십 년 동안 반도체 산업은 더 많은 트랜지스터를 구현하기 위해 보다 진보된 공정을 사용하여 무어의 법칙을 끊임없이 촉진해 왔습니다. 이것이 우리가 흔히 "무어의 연속" 솔루션이라고 부르는 솔루션이며 현재의 지속적인 혁신을 위한 가장 큰 원동력이기도 합니다. 컴퓨팅 및 회로 분야.힘.
무어의 법칙이 지속되고 있음에도 불구하고 칩 영역은 여전히 ​​확장되고 있는데, 예를 들어 컴퓨팅 파워를 추구해온 GPU는 마스크 크기의 한계에 다다르고 있다. 트랜지스터 수의 증가와 함께 칩 설계 및 생산 비용은 끝없이 증가했습니다. 많은 사람들의 눈에 "무어의 지속"에만 의존하는 것은 더 이상 기술적으로나 비용적으로 지속 가능한 솔루션이 아닙니다.

동시에 더 많은 기능과 기능이 단일 칩에 집적되었지만 아날로그, 무선 주파수, 고전압 등과 같은 모든 다른 기능의 요구를 충족시킬 수 있는 단일 프로세스는 없습니다. 충족되면 우수한 성능과 비용 균형을 달성할 수 없습니다. 이러한 도전에 직면하여 "무어의 연속" 프로그램은 무력하므로 이기종 통합의 "확장된 무어" 프로그램이 등장했습니다. 두 프로그램의 보완을 통해 "Beyond Moore"를 공동으로 달성할 것입니다.

Chiplet: 비용을 절감하고 수율을 높이는 구세주

단일 칩에 더 많은 기능을 추가함에 따라 무어의 법칙이 계속되더라도 칩 면적은 여전히 ​​증가하고 있습니다. 다른 기능을 가진 모든 설계 블록에 대해 동일한 프로세스 노드를 사용하는 것이 오프셋 선택이 되었습니다. 다행히도 Chiplet은 이제 구세주입니다. 나타났다. 큰 조각의 다이를 작은 칩렛으로 나누고 각 칩렛에 최적의 제조 공정을 사용하면 전체 칩의 수율을 크게 높이는 동시에 생산 비용을 줄일 수 있습니다. 예를 들어, 일부 특정 인터페이스 IP는 고급 제조 프로세스를 사용하기 때문에 영역이나 성능이 최적화되지 않습니다. 이러한 IP에 대해 성숙한 제조 프로세스와 전용 맞춤형 제조 프로세스를 사용하면 비용을 절감하고 성능을 향상시킬 수 있습니다.
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칩렛 솔루션 / 삼성

또 다른 실행 가능한 솔루션은 동일한 구성 요소 칩렛을 재사용하는 모듈식 설계 및 제조입니다. 많은 IP 모듈을 칩렛으로 재사용할 수 있습니다. 칩의 다른 부분만 재설계 및 생산하면 됩니다. 이는 설계, 개발 및 생산 비용을 크게 절감하고 칩 제조업체는 이를 사용하여 제품 반복을 더 빠르게 달성할 수 있습니다.

X-Cube: 수직 3D 통합

이기종 통합은 비용과 수율을 고려할 뿐만 아니라 칩 성능을 더욱 향상시킬 수 있습니다. 기존의 2D 설계에서 신호 경로는 수 밀리미터입니다. 3D 통합에서 칩 스택은 신호 경로를 몇 마이크론으로 줄여 칩 지연을 크게 개선할 수 있습니다. 또한 3D 통합에서 더 나은 인라인 간격은 더 높은 대역폭을 달성하고 칩 성능을 더욱 향상시킬 수 있습니다.

삼성은 이미 2014년에 삼성의 Widcon 기술인 Wide IO 메모리와 모바일 애플리케이션 프로세서의 3D 적층을 구현했습니다. 이후 3D 칩 적층 기술이 계속 발전하면서 HBM 메모리 제품 시리즈가 탄생했다. HBM은 DRAM과 로직을 적층하고 마이크로 범프와 TSV를 연결하여 형성됩니다. 삼성이 3D 적층 기술 덕분에 이미지 센서, 로직, DRAM 3개의 서로 다른 다이가 함께 적층된 3레이어 CMOS 이미지 센서를 개발할 수 있었습니다.

2020년에 삼성은 2개의 로직 유닛 다이를 수직으로 적층하여 단일 3D 칩을 형성할 수 있는 X-Cube 기술을 도입했으며 마이크로 범프에 의해 TSV에 연결됩니다. X-Cube는 두 가지 형태로 나뉘며 두 개의 다이는 마이크로 범프 또는 직접 구리 본딩으로 연결됩니다.

엑스큐브 로드맵 / 삼성

1세대 X-Cube 기술(u-Bump)은 주로 마이크로 범프 연결에 의존합니다.삼성은 F2B 구조를 사용하는 7nm 로직 프로세스용 TSV PDK를 출시했으며 범프 피치는 40um입니다. F2F 구조를 사용한 4/5nm용 TSV PDK도 출시되었으며, 범프 피치는 25um으로 감소되었습니다. 아직 개발 중인 2세대 X-Cube 기술(Bump-less)은 다이렉트 구리 본딩 기술을 사용하여 피치를 4um으로 줄였습니다.

인텔의 Foveros3D 스태킹 기술 경로가 삼성 X-Cube와 거의 같다는 점은 언급할 가치가 있습니다. 1세대 Foveros의 범프 피치는 36um ~ 50um이며 차세대 FoverosOmni 기술도 25um의 범프 피치를 달성할 수 있습니다. 아직 개발 중인 포베로스 다이렉트(Foveros Direct)도 직접 구리 본딩을 사용하며 범프 피치가 10um 이하로 줄어들었다고 주장한다.

과거 X-Cube 아키텍처에서는 하단 다이의 면적이 상단 다이의 면적보다 컸지만, 삼성은 칩 파티셔닝 및 방열에 대한 고객의 다양한 요구 사항을 더 잘 충족시키기 위해 다음과 같은 구조도 제공할 예정이다. 상단 다이는 미래의 하단 다이보다 큽니다. 현재 삼성은 3D 적층 SRAM 검증을 완료했으며 7nm 공정에서 48.6GB/s의 대역폭과 7.2ns의 읽기 지연, 2.6ns의 쓰기 지연을 달성할 수 있습니다.

또한 삼성은 차별화된 기술인 ISC(Integrated Stacked Capacitor)도 제공합니다. 이 커패시터는 삼성 DRAM 제품에서 검증된 실리콘 커패시터 구조, 재료 및 공정을 적용했으며 1100nF/mm2의 정전 용량 밀도를 가지므로 전력 무결성을 효과적으로 향상시킬 수 있습니다. 또한 삼성의 ISC는 고객의 다양한 구조적 요구를 만족시키기 위해 디스크리트형, 실리콘 인터포저형, 멀티웨이퍼 스택형 등 다양한 구성을 제공하고 있으며, 2022년 양산 단계에 진입할 예정이다.

I-Cube: 수평 2.5D 조합

반면 삼성은 칩을 수평으로 결합하기 위해 동일한 실리콘 인터포저에 논리 셀과 여러 HBM을 통합하는 이른바 2.5D 기술 I-Cube를 개발했습니다. 현재 삼성은 로직 다이 1개 + HBM I-Cube2 2개 양산에 성공했으며 완제품 중 하나가 바이두의 곤륜 AI 칩이다. Baidu의 Kunlun AI 칩은 삼성의 14nm 공정뿐만 아니라 삼성의 I-CUBE 2 기술을 사용합니다.

아이큐브는 사전 선별 기술을 사용하여 포장 중간 단계에서 작동 테스트를 수행하여 수율을 향상시킵니다. 이 기술은 또한 캡슐화되지 않은 구조를 사용하여 더 나은 방열 성능을 구현하며, 삼성에 따르면 I-Cube의 방열 효율은 기존 2.5D 솔루션보다 4.5% 더 높습니다. 또한, 삼성의 I-Cube 기술은 다른 파운드리에 비해 삼성 메모리와 협력하여 최신 메모리 솔루션을 가장 먼저 사용하는 등 몇 가지 장점이 있습니다.

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I-Cube4 회로도 / 삼성
삼성은 현재 4HBM3 모듈을 통합한 I-Cube4의 양산을 계획하고 있으며, 6개의 HBM I-Cube6도 양산을 준비하고 있으며, 전자는 2022년 양산에 들어갈 예정이다. 삼성은 로직 다이 2개 + HBM 8개로 구성된 I-Cube8 솔루션도 준비했으며, 아직 개발 단계에 있으며 2022년 말 공식 출시될 예정입니다.
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2D to 3.5D 패키징 솔루션 / 삼성

2D, 2.5D 및 3D IC 기술 외에도 삼성은 새로운 3.5D 패키징 기술을 개발 중이며, 이 시스템 인 패키지는 또한 더 높은 성능과 밀도를 달성하기 위해 적층형 맞춤형 DRAM 또는 SRAM 다이를 추가할 것입니다.

요약

2.5D/3D 통합 다중 칩 또는 다중 칩셋 시스템-온-칩을 개발할 때 설계자는 종종 추가 인터페이스 IP 또는 잠재적인 전력 소비 증가와 같은 기존 단일 칩 설계에서 보기 드문 기술적 장애물에 직면합니다. 이때 IDM 2.0에 막 진입한 삼성, TSMC, 인텔도 이질적인 설계 방식과 도구를 제공하여 설계자가 이러한 과제를 극복할 수 있도록 지원할 예정입니다. 이기종 통합의 일반적인 추세에 따라 파운드리는 패키징, 테스트 및 원스톱 설계 서비스를 추가하여 더 많은 서비스 모델을 제공할 것입니다.