Cекрет следующего прорыва в электронике – «высотки» из чипов

Удивительные вещи происходят с электронной базой практически всех наших устройств. Микросхемы, которые раньше были тонкими и плоскими, теперь складывают в стопки, как блинчики. Разработчики схем – которые теперь могут менять не только длину и ширину, но также толщину элементов – исследуют неожиданные изменения в производительности, энергопотребления и возможностях устройств.

Без этой технологии не существовало бы Apple Watch. Как и твердотельных накопителей Samsung, систем искусственного интеллекта Nvidia и Google или новейших камер Sony.

Наложение микросхем можно сравнить с городским планированием. Без него схемы будут постоянно расти вширь – микрочипы будут растянуты по платам, и чем больше компонентов потребуется, тем дальше друг от друга они будут. Но стоит вам наложить чипы один на другой, и вы получите современный город, в котором все гораздо ближе.

Преимущество объясняется простой физикой: когда электронам приходится проходить по медным проводникам большое расстояние, на это уходит больше энергии, полоса частот сужается, и выделяется дополнительное тепло. Многослойные чипы эффективнее, работают при более низкой температуре и быстрее сообщаются друг с другом, рассказывает Грег Йерик (Greg Yeric), директор по перспективным полупроводниковым технологиям в ARM Research, подразделении крупного производителя микросхем.

Хотя принципы, лежащие в основе многослойных микросхем, вполне понятны, реализовать их на практике не так-то просто. По словам Йерика, впервые технология была предложена еще в 1960-х, однако долгие десятилетия практическое применение находила только в самых ответственных случаях, например, при создании военной электроники.

Рентген-снимок микросхемы Apple S1 из Apple Watch первого поколения. Фото: Chipworks

Поперечное сечение микросхемы Apple S1 из Apple Watch первого поколения. Фото: Chipworks

Однако продукты с многослойными чипами от крупных производителей – AMD, Intel, Apple, Samsung и Nvidia, а также других, специализированных компаний вроде Xilinx – стали появляться всего около пяти лет назад, отмечает Синдзин Дихон Уоррен (Sinjin Dixon-Warren), аналитик компании Techinsights.

Что изменилось? У инженеров закончились способы выжать лучшие характеристики из чипов прежнего размера. Многослойные чипы часто идут в «комплекте» с другими такими же микросхемами. Помимо экономии пространства, это позволяет производителям создавать множество различных компонентов – используя разные производственные процессы – а затем практически буквально склеивать их вместе. Такой подход «объемных комплектов» контрастирует с концепцией «системы на одной схеме», которая сейчас используется в большинстве телефонов и подразумевает монтаж всех компонентов смартфона на единой пластине кремния.

По словам Диксона-Уоррена, один из самых продвинутых 3D-чипов используется в Apple Watch с самого появления этих часов. 30 разных чипов герметично запечатаны в пластиковую упаковку. Для экономии места модуль памяти наклеен поверх логической схемы. Часы не получились бы настолько компактными без технологии наложения схем.

Но пока Apple делает чипы толщиной всего в два слоя, Samsung удалось построить настоящую высотку из кремния. Flash-память V-NAND от Samsung, которая используется для хранения данных в смартфонах, камерах и ноутбуках, имеет 64 слоя. Недавно компания объявила, что в следующем поколении представит 96-слойные чипы.

Микропроцессоры Nvidia Volta созданы для использования в системах искусственного интеллекта и могут иметь до восьми слоев широкополосной памяти, монтированных на графический процессор. На фото чипы Nvidia на выставке Computex в Тайбэе в мае. Фото: Tyrone Siu/Reuters

Память – самое естественное применение технологии многослойных чипов, поскольку так становится возможным решить давнюю проблему разработчиков микроэлектроники: добавление все новых ядер к процессорам любых устройств – от iPad до суперкомпьютеров – не приводило к ожидаемой прибавке в скорости из-за задержки связи между логическими схемами и памяти, которая требовалась для работы этих систем. Наложение памяти прямо на чипы позволяет наладить между ними более быстрое соединение.

Так устроены микропроцессоры Nvidia Volta, созданные для использования в ИИ-системах, рассказывает старший вице-президент компании по производству компонентов Брайан Келлехер (Brian Kelleher). Благодаря наложению до восьми слоев высокочастотной памяти на графический процессор, эти чипы вышли на новый уровень вычислительной эффективности.

Келлехер объясняет, что количество энергии, направляемой в систему, лимитировано и расходуется как на работу компонентов, так и на выделяемое ими тепло. «Нас ограничивает мощность: все, что мы сэкономим на питании памяти, можно направить на обработку информации», – добавляет он.

Наложение чипов также открывает принципиально новые возможности. В некоторых смартфонах модуль камеры устанавливается прямо на процессор обработки изображений. Благодаря этому достигается такая скорость работы, что можно делать сразу несколько снимков с различной экспозицией и объединять их, улучшая качество съемки при недостаточном освещении.

64-слойная память Samsung V-NAND с повышенной емкостью и скоростью обработки, представленная в августе 2016 года. Фото: Yonhap News/Zuma Press

В прототипе камеры от Sony реализованы сразу три слоя, а не два – модуль Dagwood-sandwich, который объединяет в себе фотодатчик, память и логическую схему, позволяет делать до тысячи кадров в секунду. В результате свет попадает на сенсор, и полученная информация мгновенно фиксируется в памяти, благодаря чему обработку можно производить в реальном времени. Помимо лучшей видимости при слабом освещении, это делает возможным съемку суперзамедленных видеороликов и фиксации быстродвижущихся объектов на одном кадре. Сейчас внедрению многослойных чипов в большее количество устройств мешает лишь высокая стоимость таких систем.

Прежде всего, технология 3D-чипов настолько нова, что инструменты их производства еще не развиты, отмечает Йерик. Пока простые и удобные средства монтажа – такие, что сейчас используются для производства плоских чипов – не станут доступны широкому кругу инженеров, многослойные чипы так и останутся привилегией крупных компаний с самыми богатыми ресурсами.

Еще одна проблема в том, что производители до сих пор тренируются в надежной физической реализации идеи. Из-за этого страдает результат, то есть производственные процессы дают меньший выхлоп.

Однако по мнению Диксона-Уоррена, распространение 3D-чипов неминуемо и будет происходить стремительно. Десять лет назад применение технологии было ограничено только университетскими лабораториями; даже пять-шесть лет назад найти коммерческие продукты было сложно. Однако теперь технологию можно увидеть все чаще, в приложениях для сетевых и высокопроизводительных вычислений и в премиальной носимой электронике вроде Apple Watch. Кроме того, технология применялась в iPhone X, сообщил Кайл Вайенс (Wiens), гендиректор компании iFixit, которая разбирает электронные устройства, чтобы понять, насколько трудно ее ремонтировать.

В конце концов 3D-чипы должны открыть для носимой электроники возможности более крупных устройств и позволить им работать без подзарядки многие дни.

Перенос микроэлектроники из двухмерного мира в трехмерный – это всего лишь начало. Скоро слои смогут сообщаться с помощью света, а не электричества. Затем мы сможем полностью отказаться от кремния – в сторону синтетического алмаза, например – и на смену интегральным схемам придут светящиеся кристаллы недосягаемой раньше вычислительной мощи.

Источник

Материалы по теме:

IBM запустит доступ к квантовому компьютеру на 20 кубитов до конца года

Оптоволоконные кабели могут сообщать о возможных землетрясениях

Все хотят iPhone с дополненной реальностью. Как новинка перевернет рынок?

Вживленный чип вместо пропуска в офис – это вообще законно?