La guía condensada de placas de circuito de silicio

Prólogo de Kevin Morris

¿Ha notado que no existe la Ley de Moore para las placas de circuitos? Claro, hemos visto una mejora gradual en la tecnología de PCB en las últimas dos décadas, pero todavía estamos impulsando FR4 de la misma manera que siempre lo hemos hecho, y el PCB ahora es un factor limitante enorme en nuestra capacidad de miniaturizar nuestro sistemas y hacerlos más confiables.

¿Está llegando el momento de deshacerse del FR4?

Bob Conn es un tipo fascinante, lo que muchos de nosotros en ingeniería consideraríamos como un "hombre del renacimiento". Nos complace presentar el primero de una serie de artículos de Bob sobre placas de circuitos de silicio (SiCB). Bob nos llevará a través de los aspectos prácticos del uso de SiCB en el mundo actual y nos dará una idea de cómo los SiCB pueden evolucionar como soluciones viables para un segmento cada vez más grande de nuestro trabajo de diseño.

¡Disfrutar!

-Kevin Morris

En la siguiente serie de artículos, presentaré un diseño de un sistema informático de alto rendimiento (HPC) basado en una placa de circuito de silicio capaz de proporcionar un petaflop de rendimiento en un metro cúbico. Esta serie cubrirá mucha tecnología, algo de historia y una buena cantidad de narraciones. Será una guía de bricolaje sobre cómo construiría sistemas de silicio 2.5D y 3D utilizando placas de circuito de silicio.

-Bob Conn

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La guía condensada de placas de circuito de silicio

Las placas de circuito de silicio (SiCB) son similares a las placas de circuito impreso (PCB), pero están fabricadas con un sustrato de silicio en lugar de FR-4. El troquel desnudo y el troquel 3D apilado son los componentes previstos, al igual que cualquier pieza empaquetada. Las placas de circuito de silicio se pueden fabricar en casi cualquier fundición de obleas típica utilizando procesamiento de final de línea o de final de línea, según la fundición.

Los tamaños de SiCB se encuentran entre los PCB y los circuitos integrados (IC). Un PCB típico mide 10 pulgadas por 10 pulgadas, un SiCB típico mide 2 pulgadas por 3 pulgadas y un IC mide menos de una pulgada de lado.

Los intercaladores de silicio, a diferencia de las placas de circuito de silicio, generalmente tienen un tamaño de retícula limitado (alrededor de 1 pulgada cuadrada) y están destinados a entrar en un paquete. Los intercaladores de silicio a menudo conectan cosas que están diseñadas específicamente para interactuar con el intercalador de silicio; por ejemplo, el intercalador de silicio Xilinx conecta 4 dados FPGA separados diseñados para el intercalador. Varios proveedores ofrecen ahora la fabricación de intercaladores de silicio.

Los SiCB no se limitan al tamaño de una retícula. Pueden ser del tamaño de una oblea. Son más como pequeños PCB con docenas de componentes. Simplemente retirando los dados del paquete y reduciendo el tamaño de las trazas, es posible convertir un diseño basado en una PCB FR-4 grande en uno en una SiCB pequeña, que tiene menos de una cuarta parte del tamaño.

Un diseño de HPC en un SiCB puede incluir 4 dados de FPGA grandes y 8 o 16 dados de memoria, tal vez un dado de CPU, algunos controladores de reloj/oscilador empaquetados a escala de chip, condensadores de derivación y conectores de E/S. Consulte la Figura 1. Esto puede ser de aproximadamente 60 mm x 70 mm y menos de 3 mm de espesor, con componentes. Agregue unos pocos milímetros más para los disipadores de calor.

Figura 1. Placa de circuito de silicio de 58 mm x 68 mm diseñada para computación de alto rendimiento

Cómo comencé a investigar los SiCB

Trabajaba en Xilinx cuando empecé a interesarme por los SiCB. Queríamos hacer grandes simulaciones de SPICE mucho más rápido. A menudo teníamos tiempos de ejecución de meses, por lo que nos faltaba mucha verificación.

Supuse que necesitaba alrededor de 64 FPGA grandes para ejecutar trabajos de SPICE aproximadamente 100 veces más rápido de lo que podíamos hacer en ese momento. Pero 64 FPGA y la memoria asociada, los reguladores, etc., ocupan mucho espacio, por lo general, un rack de 19" o varias PCB muy grandes. ¿Podría hacerlo mucho más pequeño? Quería ponerlo en mi escritorio y hacer SPICE masivo. trabajo de simulación.

Compartí este problema con dos amigos tomando cervezas en la Cervecería Los Gatos. Como yo estaba incursionando en apilar dados desnudos (dados de memoria de configuración encima de un dado FPGA) en Xilinx en ese momento, y los tres habíamos diseñado y construido muchas PCB usando FPGA empaquetados, pensamos que sabíamos lo suficiente como para conectar un montón. de dados FPGA desnudos en una sola oblea, tal vez 8 o 16, con muchos dados de memoria.

Los tres habíamos pasado muchos años juntos diseñando prototipos y ensamblando trabajos en Connsult y Xilinx, y sabíamos cómo ensamblar y probar las cosas. Mediante el uso de una oblea de silicio, decidimos que podíamos hacer todo el enrutamiento desde debajo de los dados de FPGA en solo 2 o 3 capas en lugar de las 6 o más capas de una PCB FR-4 típica. Sabíamos que la confiabilidad sería mejor que con las piezas empaquetadas (recientemente habíamos completado algunos estudios de confiabilidad que respaldaban esto).

También esperábamos que mejorara el rendimiento de E/S. Y si apilamos alrededor de 8 de estas obleas, agregamos algunos reguladores de potencia (en FR-4), conectamos algunos ventiladores y lo colocamos en una caja pequeña, tendría mi supercomputadora de escritorio. Y tal vez podría construir algunos más para amigos.

Cómo diseñar y construir un SiCB: descripción general

Cómo diseñar y construir un SiCB requerirá algunas palabras más que este artículo. Cada sección será un artículo futuro. Por ahora, aquí están los aspectos más destacados...

Diseño

Ni las herramientas de diseño de PCB ni las herramientas de diseño de IC son apropiadas para el diseño de SiCB. Cualquiera de los dos hará el trabajo, y ambos tienen ventajas y desventajas. Las herramientas de PCB son buenas para el enrutamiento, pero necesitan producir archivos de salida IC (GDSII) y permitir dimensiones por debajo de una micra. Las herramientas de diseño de circuitos integrados son principalmente de área y no tienen el rendimiento de enrutamiento o la facilidad de uso de las herramientas de PCB.

Los problemas de ensamblaje afectan el ciclo de diseño. Por ejemplo, ¿qué tamaño de protuberancias se utilizan? ¿Están en el SiCB o en el troquel desnudo?

Es necesario abordar los problemas mecánicos de los conectores y la conexión a una PCB.

Adquirir piezas probadas

Las hojas de datos para dados desnudos están disponibles. Sin embargo, puede ser necesario llamar a la fábrica para adquirir uno. Algunas casas de memoria (por ejemplo, Micron) tienen hojas de datos de troqueles desnudos disponibles en línea. Estas piezas se prueban completamente en forma de troquel; sin embargo, no todos los dados desnudos se prueban por completo. Determinar cuántas pruebas se necesitan y cómo hacerlo presenta algunos desafíos.

Fabricar SiCB

Los SiCB se fabrican con tecnología de fabricación de circuitos integrados de semiconductores. Aquí sucede algo extraño. Las fundiciones de clase mundial generalmente tienen una retícula limitada (área máxima que se puede generar imágenes) y solo pueden producir intercaladores de silicio o SiCB pequeños. Para placas de circuito de silicio más grandes, está disponible la costura de retícula. O podemos buscar fábricas más antiguas que puedan enmascarar obleas completas.

La metalización típica del cobre tiene un espesor de 2 micrones. Los tamaños de características mínimos apropiados en los SiCB son de alrededor de 5 micras. Los trazos que son mucho más angostos que esto son demasiado lentos para recorridos de varios centímetros. (La gente de interposición puede usar trazas estrechas porque sus recorridos pueden ser de solo unos pocos milímetros). Y estos tamaños de traza son fáciles de producir por las fábricas más antiguas, por lo que hay muchos proveedores potenciales.

Otras posibilidades de sustrato incluyen orgánicos, cerámica y vidrio.

La fabricación generalmente incluye vías de silicio (TSV) que son procesamiento de productos básicos en la actualidad.

Armar

Los SiCB pueden ser ensamblados por casas de ensamblaje de PCB de alta gama. Se requiere un buen control de ESD y máquinas automatizadas de recoger y colocar cuando se manipulan dados desnudos. El ensamblaje de piezas sigue las reglas típicas de montaje en superficie. O las piezas están golpeadas o el SiCB está golpeado. Los pasos de almohadilla de 30 a 40 micrones están bien. No se necesita relleno de matriz desnudo debido a la tensión térmica/mecánica reducida de los coeficientes de temperatura coincidentes entre la matriz y el SiCB.

Prueba y reelaboración

Mediante el uso de combinaciones de autocomprobación, prueba de sonda flotante y accesorios de prueba de sondeo de obleas y paquetes modificados, podemos probar los SiCB ensamblados. Las técnicas típicas de reelaboración de PCB están disponibles para reemplazar componentes.

Asuntos

¿Cómo se obtienen las piezas probadas? Dado bueno conocido – KGD

La adquisición de dados "suficientemente buenos" conocidos es posible por varios medios. Más casas de fichas están poniendo a disposición dados desnudos, pero se necesita un poco de búsqueda para encontrar fuentes. Y, lo que es más importante, la primera generación de dados desnudos de silicio a silicio (nunca destinados a un paquete) está disponible. Estos dados desnudos de silicio a silicio pueden proporcionar una potencia de E/S de menos de 1pJ por bit. Al eliminar el paquete, los dados destinados a sustratos de silicio ahora se construyen con más de 2500 pines de E/S, algo que no es posible con las piezas empaquetadas. Piense en las mejoras del ancho de banda de la memoria.

Está disponible la prueba de dados desnudos y SiCB para asegurar el máximo rendimiento. A veces, el proveedor proporciona KGD y, a veces, se necesitan más pruebas. Hay muchas opciones aquí.

¿Cómo te subes y bajas? Óptica o Cobre

Un problema de los SiCB es su pequeño tamaño. Es difícil imaginar conectar un conector típico de cobre-cobre (por ejemplo, CX-4, USB, etc.) a una pieza de silicona de 4" x 4" cubierta con dados desnudos y que no se rompa instantáneamente la primera vez que alguien conecta un cable. . Sin embargo, hay formas de proporcionar soporte mecánico que pueden mejorar la robustez del SiCB. Las impresoras 3D ofrecen opciones interesantes.

Se prefiere la E/S óptica para rutas de gran ancho de banda. Y los conectores ópticos se pueden conectar directamente a los SiCB.

¿Cómo obtienes energía?

La distribución y el enrutamiento de energía tienen problemas particulares para dados desnudos de alta potencia (p. ej., FPGA y CPU) porque los dados grandes han sido diseñados para depender del sustrato del paquete para distribuir la energía en incrementos de paso milimétrico. Los sustratos del paquete a menudo tienen cobre de más de 15 micrones de espesor para distribuir la energía, mientras que los SiCB pueden estar limitados a 2 o 3 micrones. Una de las varias formas de esquivar este problema es usar reguladores de potencia integrados: colocar transistores en el silicio del SiCB.

¿Cómo lo mantiene fresco?

El enfriamiento es con aire, placas frías o, en algunos casos, inmersión. Una buena gestión del flujo de aire a través de una pila de SiCB separados varios milímetros puede manejar 1kW en un volumen de 4" x 4" x 4". El uso de placas frías, fácilmente disponibles en la actualidad (y no tienen fugas), hace que el trabajo de enfriamiento sea más fácil pero más pesado .

Características y Beneficios

Fiabilidad

Se mejora la confiabilidad porque los coeficientes de temperatura coinciden: dados de silicio desnudos en una placa de circuito de silicio. Un factor importante que impulsa mi interés en los SiCB es esta mejora inherente de la confiabilidad. Cuando hablamos de HPC, debemos hablar sobre la confiabilidad del sistema y lo que sucede cuando fallan partes del sistema. Un sistema basado en SiCB tiene menos piezas y puede ser más fácil de volver a trabajar o reparar que un sistema basado en FR-4.

Los SiCB también tienen menos interfaces de E/S debido a la eliminación del paquete y la reducción en la cantidad de puntos de estrés térmico/mecánico.

Señalización

Las velocidades de señalización en SiCB son más rápidas que en una PCB equivalente porque las distancias son más cortas. La eliminación del paquete elimina una cantidad sustancial de inductancia y capacitancia parásitas. Debido a que los cables son bastante pequeños (2 micrones por 8 micrones, por lo general), son algo resistivos y tenemos un maravilloso entorno de señalización con pérdidas, por lo que no es necesario terminar las líneas de transmisión.

Se reduce la EMI y la energía radiada.

La señalización de alta velocidad a través de un TSV cuesta mucho a la integridad de la señal si son mucho más largas que 100 micrones. Hay muchas maneras de esquivar este problema.

Costos

Hoy en día, se pueden construir de unas pocas docenas a unos cientos de prototipos, dependiendo del tamaño, por aproximadamente $75,000, utilizando fundiciones de clase mundial como TSMC, Global Foundries, etc. Las carreras de lanzadera están disponibles. Los nuevos procesos que utilizan la ablación con láser para la creación de patrones podrían hacer que los prototipos estén disponibles por menos de 25.000 dólares. En artículos futuros, escribiré sobre un proyecto actual en el que estoy involucrado para hacer que los procesos de ablación con láser estén disponibles.

Bajo consumo

Las necesidades de refrigeración se reducen un poco en un SiCB en comparación con las PCB porque los requisitos de alimentación de E/S se han reducido significativamente; en algunos casos, la alimentación de E/S es inferior al 10 % de la alimentación de E/S de la pieza empaquetada. El diseño de E/S personalizadas para conexiones intra-SiCB puede reducir aún más la potencia de E/S.

Muchos eslabones, pero ninguna cadena... todavía

Están disponibles todos los eslabones de una cadena de suministro para el diseño, la adquisición de piezas, la fabricación, las pruebas, el montaje y la reelaboración de SiCB. Todavía no están conectados entre sí en una cadena de suministro fácilmente viable, pero a medida que avanza la tecnología, estos vínculos se unirán.

Futuros

Nunca imaginé que tendría que inventar una nueva tecnología para construir mi pequeño sistema HPC solo para poder hacer algunas simulaciones de SPICE, pero aquí estoy.

Los artículos futuros analizarán más en profundidad los problemas de SiCB, cómo construir uno y cómo construir un sistema HPC 64-FPGA.

Doy la bienvenida a sus preguntas y comentarios.

Sobre el Autor

Déjame decirte un poco acerca de mí. Después de vivir el mejor momento para ir a la escuela, me gradué de UC Berkeley en 1970 y comencé a trabajar como ingeniero de diseño en National Semiconductor, trabajando en obleas de dos pulgadas con tamaños de características de 10 micrones.

Eso me llevó a 10 años de trabajo en National, Fairchild y AMI, seguidos de 15 años en mi propia empresa de diseño, Connsult, haciendo todo tipo de ingeniería y creación de prototipos: manipuladores de obleas robóticos, escritores portátiles de boletos de estacionamiento, un registrador de vuelo para el Voyager aeronaves, arquitectura de software, etiquetas de ID de RF, equipo de oficina central de telecomunicaciones, etc. Luego pasé 10 años en Xilinx e hice el primer trabajo 3D allí en 2001, y dos veces obtuve el premio Ross Freemen Innovator-of-the-Year. Los últimos 8 años, he estado en Research Triangle Institute y UC Berkeley desarrollando y diseñando placas de circuito de silicio.

Me gusta trabajar en problemas técnicos difíciles. Tengo más de 70 patentes. He ganado medallas de oro en remo. Mi padre era gerente de Pan American Airways, así que nací en Portugal y crecí en varias islas del Pacífico. He construido mi propio avión y dos casas. Tengo dos hijos maravillosos y una esposa feliz. Vivo en la isla de Hawái.

Tengo muchas ganas de compartir lo que he aprendido sobre las placas de circuito de silicio y cómo lo aprendí.

bob conn

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