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Chiplets如此重要的确切原因分析及Chiplets封装清洗

合明科技 👁 1960 Tags:分隔式处理器先进芯片封装清洗Chiplets技术

Chiplets如此重要的确切原因分析及Chiplets封装清洗

什么是Chiplets?

Chiplets是分隔式的处理器。不是将每个部分合并到一个芯片中(被称为单片机的方法),而是将特定的部分作为独立的芯片来制造。然后,这些独立的芯片通过一个复杂的连接系统被安装在一起,成为一个单一的封装。
这种安排使能够让使用最新的制造方法的部件尺寸缩小,提高了工艺的效率,使其能够装入更多的部件。
芯片中不能明显缩小或不需要缩小的部分可以用更旧的、更经济的方法生产。
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虽然制造这种处理器的过程很复杂,但总体成本通常较低。此外,它为处理器公司提供了一个更易于管理的途径来扩大其产品范围。
为了充分理解为什么处理器制造商转向芯片,我们必须首先深入了解这些设备是如何制造的。CPU和GPU开始时是由超纯硅制成的大圆盘,通常直径略小于12英寸(300毫米),厚度为0.04英寸(1毫米)。
这块硅片经历了一系列复杂的步骤,形成了不同材料的多层--绝缘体、电介质和金属。这些层的图案是通过一种叫做光刻的工艺创建的,在这种工艺中,紫外线通过放大的图案(掩膜)照射,随后通过透镜缩小到所需的尺寸。该图案以设定的间隔在晶圆表面重复出现,每一个都将最终成为一个处理器。由于芯片是长方形的,而晶圆是圆形的,图案必须与圆盘的周边重叠。这些重叠的部分最终会被丢弃,因为它们是无功能的。
一旦完成,将使用应用于每个芯片的探针对晶圆进行测试。电检结果告知工程师关于处理器的质量与一长串标准的关系。这个初始阶段被称为芯片分选,有助于确定处理器的 "等级"。例如,如果该芯片打算成为一个CPU,那么每个部分都应该正确运作,在特定的电压下在设定的时钟速度范围内运行。然后根据这些测试结果对每个晶圆部分进行分类。
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完成后,晶圆被切割成单独的碎片,或称 "模具",可供使用。然后,这些模具被安装在一个基板上,类似于一个专门的主板。处理器经过进一步的包装(例如,用散热器),然后就可以进行销售了。整个过程可能需要数周的制造时间,台积电和三星等公司对每个晶圆收取高额费用,根据所使用的工艺节点,费用在3000至20000美元之间。
"工艺节点 "(Process node)是用来描述整个制造系统的术语。历史上,它们是以晶体管的栅极长度命名的。然而,随着制造技术的改进,允许越来越小的组件,命名不再遵循芯片的物理方面,现在它只是一个营销工具。然而,每一个新的工艺节点都会带来比前者更多的好处。它的生产成本可能更低,在相同的时钟速度下消耗更少的功率(或者相反),或者具有更高的密度。后者衡量的是在一个给定的芯片区域内可以容纳多少元件。在下图中,你可以看到这些年来GPU(你在PC中发现的最大和最复杂的芯片)的发展情况。


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工艺节点的改进为工程师提供了提高其产品能力和性能的手段,而不必使用大而昂贵的芯片。然而,上图只说明了部分情况,因为不是处理器的每个方面都能从这些进步中受益。芯片内的电路可以被分配到以下几大类中的一类:(1)逻辑,处理数据、数学和决策;(2)存储器,通常是SRAM,用于存储逻辑的数据;(3)模拟 ,管理芯片和其他设备之间信号的电路。

当逻辑电路随着工艺节点技术的每一次重大进步而继续缩小时,模拟电路几乎没有变化,SRAM也开始达到极限。

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虽然逻辑仍然构成了芯片的最大部分,但今天的CPU和GPU中的SRAM数量在近年来有了显著增长。例如,AMD在其Radeon VII显卡中使用的Vega 20芯片的L1和L2缓存合计为5MB。仅仅两代GPU之后,Navi 21就有超过130MB的各种缓存--比Vega 20多了25倍,令人瞩目。

可以预期,随着新一代处理器的开发,这些水平将继续提高,但由于存储器的规模没有像逻辑那样缩小,在同一工艺节点上制造所有电路的成本效益将越来越低。
在一个理想的世界里,人们在设计芯片时,模拟部分在最大和最便宜的节点上制造,SRAM部分在更小的节点上制造,而逻辑部分则保留给绝对尖端的技术。不幸的是,这在实践中是无法实现的。然而,存在一种替代方法。

用Chiplets实现摩尔定律

尽管在半导体制造方面取得了巨大的技术进步,但每个部件可以缩小的程度是有明确限制的。为了继续提高芯片的性能,工程师们基本上有两个途径:增加更多的逻辑,用必要的内存来支持它,以及提高内部时钟速度。关于后者,一般的CPU在这方面已经多年没有明显的变化了。AMD的FX-9590处理器,从2013年开始,在某些工作负载中可以达到5GHz,而其当前型号的最高时钟速度是5.7GHz(Ryzen 9 7950X)。
英特尔最近推出了酷睿i9-13900KS,在合适的条件下能够达到6GHz,但其大多数型号的时钟速度与AMD的相近。
然而,改变的是电路和SRAM的数量。前面提到的FX-9590有8个核心(和8个线程)和8MB的L3缓存,而7950X3D拥有16个核心、32个线程和128MB的L3缓存。英特尔的CPU在核心和SRAM方面也有类似的扩展。
Nvidia的第一个统一着色器GPU,即2006年的G80,由6.81亿个晶体管、128个内核和96 kB的二级缓存组成,其芯片面积为484 mm2。快进到2022年,当AD102推出时,它现在由763亿个晶体管、18432个内核和98304 kB的二级缓存组成,芯片面积为608 mm2。
1965年,飞兆半导体公司的联合创始人戈登·摩尔(Gordon Moore)观察到,在芯片制造的早期,在固定的最低生产成本下,芯片内的元件密度每年都在翻番。这一观察被称为摩尔定律,后来根据制造趋势,被解释为 "芯片中的晶体管数量每两年翻一番"。
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近六十年来,摩尔定律一直是对半导体行业发展进程的合理准确描述。CPU和GPU在逻辑和内存方面的巨大进步是通过工艺节点的不断改进实现的,这些年来,组件变得越来越小。然而,这种趋势不可能永远持续下去,无论出现什么新技术。
像AMD和英特尔这样的公司并没有等待这个极限的到来,而是转向了Chiplets,探索它们的各种组合方式,以继续在创造更强大的处理器方面取得进展。
几十年后的今天,普通的个人电脑可能是由手掌大小的CPU和GPU组成的,但是剥开散热片,你会发现有许多微小的芯片--不是三四个,而是几十个,都巧妙地拼接和堆叠在一起。
Chiplets的主导地位才刚刚开始。

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污染物有多种,可归纳为离子型和非离子型两大类。离子型污染物接触到环境中的湿气,通电后发生电化学迁移,形成树枝状结构体,造成低电阻通路,破坏了电路板功能。非离子型污染物可穿透PC B 的绝缘层,在PCB板表层下生长枝晶。除了离子型和非离子型污染物,还有粒状污染物,例如焊料球、焊料槽内的浮点、灰尘、尘埃等,这些污染物会导致焊点质量降低、焊接时焊点拉尖、产生气孔、短路等等多种不良现象。

这么多污染物,到底哪些才是最备受关注的呢?助焊剂或锡膏普遍应用于回流焊和波峰焊工艺中,它们主要由溶剂、润湿剂、树脂、缓蚀剂和活化剂等多种成分,焊后必然存在热改性生成物,这些物质在所有污染物中的占据主导,从产品失效情况来而言,焊后残余物是影响产品质量最主要的影响因素,离子型残留物易引起电迁移使绝缘电阻下降,松香树脂残留物易吸附灰尘或杂质引发接触电阻增大,严重者导致开路失效,因此焊后必须进行严格的清洗,才能保障电路板的质量。

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