Spoločnosť Intel predstavila novú technológiu skleneného substrátu pre veľké čipy typu "system-in-package". Sklenené substráty umožňujú vytbárať hustejšie štruktúry v púzdrach čipov - čo je dôležité pre aplikácie, ako je umelá inteligencia a iné.

Každý inžinier vie, že integrované obvody sú oveľa viac ako len kremík. Rôzne komponenty, ako napríklad púzdro, prívody a substrát, sa podieľajú na životnosti a konečnej schopnosti komponentu. Substrát - teda materiál, na ktorom je kremíková doska integrovaného obvodu namontovaná - zohráva čoraz významnejšiu úlohu, pretože umožňuje dosiahnuť väčší výpočtový výkon púzdre.

V súvislosti s týmito potrebami spoločnosť Intel oznámila novú technológiu skleneného substrátu pre novú generáciu výkonných procesorov.

Prototypy systému v púzdre so skleneným substrátom

Sklo ako substrát nie je nový pojem. Už takmer desať rokov sa v najmenších čipoch, komponentoch na úrovni čipu (wafer level chip scale - WLCS), používa sklenený substrát. V tomto tvare sú spájkovacie guľôčky BGA (ball grid array) namontované priamo na doske integrovaného obvodu, ktorá je potom namontovaná obvodom nadol v štýle flip-chip s ochranným skleneným substrátom na hornej strane.

Niektoré z najbežnejších čipov, ktoré používajú tento systém púzdra, sú výkonové komponenty, ako sú regulátory napätia a meniče. Najmenšie z týchto komponentov majú len niekoľko milimetrov štvorcových a napriek tomu zvládnu rovnaký výkon ako veľké komponenty formátu TO-220 vďaka priamejšej tepelnej ceste cez spájkovacie guľôčky a sklenený substrát ako rozvádzač tepla.

Sklo ako substrát má v porovnaní s bežnejšími materiálmi mnoho výhod, a to tak vo výrobnej fáze, ako aj pri konečnom použití. Spoločnosť Intel sa teraz snaží preniesť tieto tepelné vlastnosti a ďalšie vylepšené vlastnosti substrátu do svojich najväčších čipov pomocou novo vyvinutej technológie veľkých sklenených substrátov.

Funkcie, ktoré umožňujú hustejšie prepojenie čipov

Mnohé z nových, najvýkonnejších čipov sú vyvinuté s použitím viacerých čipletov, a nie ako jeden monolitický kus kremíka. Nazýva sa to architektúra systém v púzdre alebo dezagregovaný dizajn. Takýto postup umožňuje dosiahnuť vyššiu výťažnosť, väčšiu flexibilitu výroby a väčší výpočtový výkon v rovnakom fyzickom priestore.

Súčasné organické substráty - podobné vysokoteplotným doskám plošných spojov (PCB) - nie sú dostatočne stabilné pre výrobný proces a prevádzkové teploty, s ktorými sa stretávame.

Organický substrát sa môže pri vyšších teplotách deformovať alebo degradovať. Organické substráty v podstate narážajú na limity svojej veľkosti. Sklo je schopné odolávať vyšším teplotám bez deformácie alebo degradácie. To umožňuje hustejšie rozmiestnenie s 50 % väčším počtom čipov na rovnakej ploche obalu.

Sklenený substrát umožňuje o 50 % viac čipov.

Tieto čipy pritom potrebujú vysokorýchlostné prepojenia, aby mohli fungovať ako jeden celok. Sklo má hladší povrch ako organické materiály a má tepelnú rozťažnosť, ktorá je oveľa bližšia kremíkovej doštičke.

Hladší sklenený povrch umožní prísnejšie konštrukčné pravidlá (menšia stopa a priestor) pre prepojenia. Sklo so svojou väčšou stabilitou pri vyššej maximálnej pracovnej teplote umožňuje o 50 % menšie skreslenie litografického vzoru. Konečným výsledkom je 10-násobné zlepšenie hustoty prepojenia.

Procesor AI dátového centra Ponte Vecchio so 47 rôznymi čipmi

Odvod tepla z výkonných procesorov pre aplikácie umelej inteligencie a dátové centrá je jednou z hlavných oblastí spotreby energie v serverových farmách. Obmedzuje tiež rýchlosť spracovania veľkých monolitických čipov.

Prechod na čipové usporiadanie umožňuje vytvoriť tepelnú medzeru medzi jednotlivými časťami procesora. Tento priestor sa dá využiť aj na efektívnejšie dodávanie energie do jednotlivých podsekcií. Obe tieto výhody umožňujú dosiahnuť vyššie rýchlosti a nižšiu spotrebu energie.

Prenikanie do hlavných aplikácií

Aplikácie čipových integrovaných obvodov ďaleko presahujú dátové centrá a špičkové aplikácie. Najnovší procesor Intel Meteor Lake pre notebooky je postavený na čipoch, ktoré odľahčujú funkcie náročné na spotrebu energie z CPU. Má viacsekčnú architektúru (ktorú Intel nazýva dlaždice), zoskupujúcu čiplety pre prácu s nízkou spotrebou, prácu náročnú na výpočty s vysokou spotrebou a grafiku.

Meteor Lake nepoužíva sklenený substrát, ale využíva architektúru čipletov, ktorá v budúcich procesoroch bude výrazne ťažiť z novej technológie skleneného substrátu.

Vďaka väčšiemu počtu čipletov, lepšiemu napájaniu a rýchlejším prepojeniam Intel verí, že zníženie spotreby energie a zlepšenie hustoty povedie k tomu, že na prelome desaťročí bude možné do jedného puzdra umiestniť jeden bilión tranzistorov. Intel sa spolieha na to, že táto schopnosť bude prínosom pre jeho vlastnú výrobu integrovaných obvodov aj pre jeho podnikanie v oblasti zlievarenských služieb.

Všetky použité obrázky pochádzajú od spoločnosti Intel