त्रि-आयामी एकीकरण: यह क्या है और क्यों है?

एक साल पहले की तुलना में थोड़ा कम, आइवी ब्रिज प्रोसेसर स्टोर अलमारियों पर दिखाई दिए - पहला माइक्रोप्रोसेसर जो 22nm तकनीक का उपयोग करके निर्मित किया गया था, और इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि पहला त्रिकोणीय गेट ट्रांजिस्टर का उपयोग कर रहा है। अपने पूर्ववर्तियों की तुलना में, ये प्रोसेसर काफी तेज थे और बहुत कम ऊर्जा खपत करते थे। लेकिन, अंत में, यह कुछ और सामग्री और उत्पादन तकनीक को निचोड़ने का एक और प्रयास था, जो लगभग अपनी क्षमताओं की सीमा तक पहुंच गया था।
सौभाग्य से, एक और उभरती हुई तकनीक है जो सिलिकॉन इलेक्ट्रॉनिक्स के जीवन का विस्तार कर सकती है: तीन आयामी एकीकरण। यह एक ऐसी तकनीक है जो आपको उच्च स्तर के एकीकरण के साथ सिस्टम बनाने की अनुमति देती है, एक दूसरे के ऊपर खड़ी होती है और विभिन्न परतों को जोड़ती है, विशेष रूप से, अर्धचालक क्रिस्टल। उदाहरण के लिए, आप एक DRAM क्रिस्टल ले सकते हैं और इसे माइक्रोप्रोसेसर चिप के ऊपर रख सकते हैं। नतीजतन, कुछ हिस्सों जो पहले कुछ सेंटीमीटर की दूरी पर थे अब अलग से एक मिलीमीटर से कम हैं। यह बिजली की खपत को कम करता है - जितनी अधिक दूरी, डेटा हस्तांतरण उतना ही कठिन और थ्रूपुट बढ़ता है।
3 डी एकीकरण के संभावित लाभों में बहुमुखी प्रतिभा, बढ़ी हुई उत्पादकता, कम बिजली की खपत, लघुकरण, सस्ता और अधिक विश्वसनीय शामिल हैं। आइए थोड़ा और विस्तार से समझने की कोशिश करें कि यह तकनीक क्या है।

रियल एस्टेट केस स्टडी को प्रेरित करना

कल्पना कीजिए कि आप और एक और 10,000 लोग एक मंजिला घरों के एक आरामदायक झोपड़ी वाले गाँव में रहते हैं। इस चित्र की तुलना उस परिदृश्य से करें जहाँ समान संख्या में लोग एक ऊंची इमारत में निवास करते हैं।
इन बस्तियों में से प्रत्येक पर किस क्षेत्र का कब्जा होगा? एक दोस्त को दोस्त की यात्रा करने में आपको कितना समय लगेगा? ऐसी बस्ती (सड़क, बिजली और पानी, आदि) के बुनियादी ढांचे को बनाए रखने के लिए कितना खर्च आएगा? मुझे यकीन है कि यह मानसिक अभ्यास कठिनाइयों का कारण नहीं होगा, और मैं उनके सबूतों को देखते हुए जवाब नहीं दूंगा।

थोड़ा इतिहास

एकीकरण प्रौद्योगिकी के विकास का वर्तमान स्तर, वास्तव में, इसकी तीसरी पीढ़ी है।


प्रारंभ में, यह सब एक विमान पर दो सिलिकॉन क्रिस्टल को संयोजित करने और उन्हें एक ही मामले में पैक करने के प्रयासों से शुरू हुआ। इस दृष्टिकोण का उपयोग किया गया था, उदाहरण के लिए, पेंटियम प्रो के उत्पादन में - 1997 में, उत्पादन तकनीक ने प्रोसेसर कोर क्रिस्टल में एक बड़े एल 2 कैश के एकीकरण की अनुमति नहीं दी। इसलिए, L2 कैश एक अलग चिप के रूप में बनाया गया था और प्रोसेसर चिप के साथ एक आम आवास में था।

आंशिक रूप से पेंटियम प्रो संलग्नक खुला। कैश क्रिस्टल दाईं ओर है। आप देख सकते हैं कि प्रोसेसर कोर की तुलना में उसकी लिथोग्राफी कितनी नियमित है।

आश्चर्यजनक रूप से, 15 वर्षों के बाद, यह दृष्टिकोण सभी जीवित लोगों की तुलना में अधिक जीवित है, हालांकि यह कुछ हद तक बदल गया है। साहित्य में "उन्नत पैकेजिंग" के रूप में उल्लेखित, इसके आधुनिक कार्यान्वयन में सिलिकॉन क्रिस्टल की प्लेट का उपयोग "मिनी-मदरबोर्ड" के रूप में किया जाता है, जो कई क्रिस्टल को जोड़ता है। इस दृष्टिकोण का लाभ यह है कि आप क्रिस्टल को पहले की तुलना में बहुत करीब रख सकते हैं, और आपको उनके डिजाइन में कोई बदलाव करने की आवश्यकता नहीं है। यह उम्मीद की जाती है कि इस दृष्टिकोण को एनवीडिया और एएमडी से मल्टी-जीपीयू ग्राफिक्स कार्ड की नई पीढ़ियों में लागू किया जाएगा।

अगले विकास कदम को 3 डी स्टैकिंग कहा जाता है। हालांकि घटक परतें एक के ऊपर एक स्थित होती हैं, परतों के बीच के कनेक्शन केवल किनारों पर स्थित होते हैं। इस तरह के एक दृष्टिकोण, उदाहरण के लिए, लंबे समय से Apple द्वारा DRAM और CPU को विभिन्न प्रकार के गैजेट्स से जोड़ने के लिए सफलतापूर्वक उपयोग किया गया है।

3 डी स्टैकिंग

खैर, अंतिम चरण - 3 डी टीएसवी (थ्रू-सिलिकॉन के माध्यम से), एक मनमाना बिंदु पर परतों के बीच कनेक्शन की उपस्थिति की विशेषता है। फिलहाल, यह बड़े पैमाने पर केवल डिजिटल फोटो / वीडियो उपकरण में ऑप्टिकल सेंसर से कनेक्ट करने के लिए उपयोग किया जाता है।

3 डी टीएसवी

3 डी एकीकरण के विकास को प्रभावित करने वाले कारक

इस तकनीक के विकास को प्रभावित करने वाले मुख्य कारक निम्नलिखित आकृति में प्रस्तुत किए गए हैं। आइए हम उन पर अधिक विस्तार से ध्यान दें।

लघुकरण और मूल्य में कमी। अगर हम 10 साल पहले के माइक्रोप्रोसेसरों के आकार को याद करते हैं, तो यह स्पष्ट है कि यदि आकार संरक्षित थे तो वे आधुनिक गैजेट्स के प्रारूप में फिट नहीं होंगे। उदाहरण के लिए, एक ही फोन। ऐसा लगता है कि पहले से ही चालीस से अधिक वर्षों के लिए मूर के कानून का निष्पादन इस समस्या का समाधान प्रदान करता है, प्रभावी रूप से उत्पादन तकनीक के प्रत्येक पीढ़ी के साथ क्षेत्र को कम करता है। लेकिन यह मत भूलो कि उपकरणों की जटिलता और उनमें ट्रांजिस्टर की संख्या बढ़ रही है, बिल्कुल विपरीत प्रभाव प्रदान कर रही है। इसके अलावा, उत्पादन की लागत एक प्रक्रिया से दूसरी प्रक्रिया के बारे में 2.5 गुना प्रति कदम बढ़ जाती है। 3 डी एकीकरण यहाँ कैसे मदद करता है?

आकार के रूप में, कई लंबवत व्यवस्थित परतों में समान संख्या में ट्रांजिस्टर का प्रदर्शन रैखिक आयामों के संदर्भ में अधिक आकर्षक है। यहां सब कुछ सरल है।

कीमत के लिए, हम ध्यान दें कि यद्यपि डिवाइस में उपयोग किए जाने वाले सिलिकॉन का कुल क्षेत्र लगभग अपरिवर्तित रहता है, प्रत्येक व्यक्ति के क्रिस्टल का आकार काफी कम हो जाता है। यह उपयुक्त क्रिस्टल के उपज अंश के रूप में इस तरह के एक महत्वपूर्ण पैरामीटर को प्रभावित करता है। मुझे एक उदाहरण के साथ समझाता हूं: इटेनियम 2 प्रोसेसर का क्रिस्टल क्षेत्र लगभग 430 मिमी ^{2 है} । इस तरह के एक प्रभावशाली आकार के कारण, केवल ~ 15% क्रिस्टल एक सिलिकॉन वेफर ("वेफर") (~ 10 टुकड़े) फ़ंक्शन पर उत्पादित होते हैं। यह क्षेत्र जितना बड़ा होगा, यह संभावना उतनी ही अधिक होगी कि यह कम से कम एक विनिर्माण दोष को पूरा करेगा। और एक प्लेट के निर्माण की लागत लगभग $ 6000 है। सर्वर माइक्रोप्रोसेसर के लिए एक चिप की लागत की गणना करना आसान है। माइक्रोप्रोसेसरों के लिए जो सर्वर बाजार से संबंधित नहीं हैं, रिलीज उचित है अगर उपयुक्त का अनुपात कम से कम 90% है। जो कि बहुत छोटे क्षेत्र से कम से कम हासिल नहीं किया गया है। इस प्रकार, 3 डी एकीकरण का उपयोग मुख्य रूप से जटिल उपकरणों के लिए लागत को काफी कम कर देगा।

इंटेल एटम (डायमंडविले)। क्षेत्र 25 मिमी ²

अगला कारक: प्रदर्शन और ऊर्जा खपत का अनुपात । कंप्यूटिंग पावर में वृद्धि से मेमोरी बस के लिए बैंडविड्थ आवश्यकताओं में वृद्धि होती है। जो विशेष रूप से सच है, उदाहरण के लिए, वीडियो प्रसंस्करण और अन्य मल्टीमीडिया कार्यों के लिए। मेमोरी लगभग भौतिक रूप से माइक्रोप्रोसेसर के लिए स्थित है, इसके साथ बातचीत करने के लिए कम प्रयास: कम डेटा ट्रांसफर में देरी और कम हस्तक्षेप, जो डेटा ट्रांसफर पर कम ऊर्जा बचाता है। इसके ऊपर लेटने से प्रोसेसर के करीब स्थित मेमोरी चिप की कल्पना करना मुश्किल है।

3 डी टीएसवी के पक्ष में एक महत्वपूर्ण तर्क, और केवल 3 डी स्टैकिंग नहीं है, मेमोरी बस की चौड़ाई है। ये आमतौर पर दर्जनों, या यहां तक ​​कि सैकड़ों बिट्स हैं, और विशेष रूप से I / O के लिए डिज़ाइन किए गए क्षेत्रों में इस क्षमता की एक बस का पता लगाना एक आसान काम नहीं है। TSV का उपयोग निष्कर्ष निकालने के दसियों गुना अधिक घनत्व देता है और आपको कब्जे वाले स्थान और बिजली की खपत पर दोनों को "बचाने" की अनुमति देता है। और फिर भी, आप, उदाहरण के लिए, बस क्षमता बढ़ा सकते हैं और इस तरह आवृत्ति को कम कर सकते हैं, जबकि प्रदर्शन के समान स्तर पर बने रह सकते हैं।

नया DRAM स्टैंडर्ड, वाइड I / O, 512-बिट बस के माध्यम से मेमोरी से कनेक्ट करने के लिए TSV का उपयोग करते हुए, LPDDR2 (लो-पॉवर डबल डेटा रेट 2) स्टैंडर्ड की तुलना में बैंडविड्थ को लगभग दोगुना कर देता है, वही पावर लेवल पर रहता है।


विषम एकीकरण। यदि हम एक सिलिकॉन वेफर की सतह पर एक उपकरण के निर्माण के बारे में बात कर रहे हैं, तो सवाल तकनीकी मापदंडों की पसंद पर उठता है। एक ही तकनीक के भीतर, एक विकल्प बनाया जा सकता है, उदाहरण के लिए, ट्रांजिस्टर की गति और रिसाव चालू की परिमाण। इसके अलावा, अगर हम माइक्रोप्रोसेसरों की तुलना में कुछ अधिक छोटे पैमाने पर बात कर रहे हैं, तो तकनीक चुनने का सवाल भी आसान नहीं है। नवीनतम तकनीकी प्रक्रिया का उपयोग पहले से इस्तेमाल किए गए आईपी ब्लॉकों के लिए भौतिक स्तर पर डिज़ाइन को फिर से करने की आवश्यकता को मजबूर करता है। यह एक संकेतक को खराब कर देता है जैसे कि आईपी का पुन: उपयोग, पैसा और अधिक महत्वपूर्ण बात, समय की लागत।

3 डी एकीकरण का उपयोग करना आपको विभिन्न तकनीकी मापदंडों के साथ बनाए गए भागों को संयोजित करने की अनुमति देता है, या यहां तक ​​कि विभिन्न तकनीकी प्रक्रियाओं का उपयोग करके एक उपकरण में। यह कई मामलों में लाभ प्राप्त करने की अनुमति देता है। तुलना के लिए, मैं वास्तविक मेमोरी कोशिकाओं और संबंधित तर्क के लिए इष्टतम विशेषताओं को दर्शाने वाली एक तालिका दूंगा। जैसा कि आप देख सकते हैं, कई अंतर हैं।


अभी के लिए बस इतना ही। अगले भाग में मैं 3 डी इंटीग्रेशन से जुड़ी समस्याओं के बारे में बात करने की कोशिश करूँगा (अन्यथा इसके कई फायदे हैं, लेकिन इनका अवतार कहाँ है?) और कहानी को समाप्त करते हैं।