На протяжении более 50 лет разработчики компьютерных чипов в основном использовали одну тактику для повышения производительности: они уменьшали размеры электронных компонентов, чтобы вложить больше энергии в каждый кусочек кремния.
Затем, более десяти лет назад, инженеры производителя микросхем Advanced Micro Devices начали экспериментировать с радикальной идеей. Вместо того, чтобы разрабатывать один большой микропроцессор с огромным количеством крошечных транзисторов, они задумали создать один из меньших чипов, которые будут плотно упакованы вместе, чтобы работать как один электронный мозг.
Концепция, которую иногда называют чиплетами, получила широкое распространение, когда AMD, Apple, Amazon, Tesla, IBM и Intel представили такие продукты. Чиплеты быстро завоевали популярность, потому что чипы меньшего размера дешевле в производстве, а их наборы могут превзойти по производительности любой отдельный кусочек кремния.
Эта стратегия, основанная на передовых технологиях упаковки, с тех пор стала важным инструментом, обеспечивающим прогресс в области полупроводников. И это представляет собой один из самых больших сдвигов за последние годы для отрасли, которая продвигает инновации в таких областях, как искусственный интеллект, беспилотные автомобили и военная техника.
«Упаковка — это то место, где будут разворачиваться действия», — сказал Субраманиан Айер, профессор электротехники и компьютерной инженерии Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, один из создателей концепции чиплетов. «Это происходит потому, что другого пути на самом деле нет».
Загвоздка в том, что такой упаковкой, как и самим производством чипсов, в подавляющем большинстве доминируют азиатские компании. Хотя на Соединенные Штаты приходится около 12 процентов мирового производства полупроводников, американские компании производят только 3 процента корпусов микросхем, по данным торговой ассоциации IPC.
Эта проблема теперь поставила чиплеты в центр промышленной политики США. Закон о чипах, пакет субсидий на сумму 52 миллиарда долларов, принятый прошлым летом, рассматривался как шаг президента Байдена по оживлению отечественного производства микросхем путем предоставления денег на строительство более сложных заводов, называемых «фабриками». Но часть этого была также направлена на то, чтобы обеспечить работу передовых упаковочных заводов в Соединенных Штатах, чтобы охватить больше этого важного процесса.
«По мере того, как чипсы становятся меньше, то, как вы размещаете чипсы, то есть упаковка, становится все более и более важным, и нам нужно, чтобы это было сделано в Америке», — сказала министр торговли Джина Раймондо в своем выступлении в Джорджтаунском университете в феврале.
Министерство торговли в настоящее время принимает заявки на производственные субсидии в соответствии с Законом о чипах, в том числе для заводов по упаковке чипов. Он также выделяет средства на исследовательскую программу, посвященную усовершенствованной упаковке.
Некоторые компании, занимающиеся упаковкой чипсов, быстро ищут финансирование. Одной из них является Integra Technologies в Уичито, штат Канзас, которая объявила о своих планах расширения на 1,8 миллиарда долларов, но заявила, что это зависит от получения федеральных субсидий. Amkor Technology, упаковочная служба из Аризоны, которая осуществляет большую часть своих операций в Азии, также заявила, что ведет переговоры с клиентами и государственными чиновниками о присутствии производства в США.
Упаковывать чипы вместе — не новая концепция, а чиплеты — это просто последняя итерация этой идеи, использующая технологические достижения, которые помогают сжимать чипы ближе друг к другу — либо рядом, либо друг над другом — вместе с более быстрыми электрическими соединениями между ними. .
«Что уникально в чиплетах, так это то, как они электрически соединены», — сказал Ричард Отте, исполнительный директор Promex Industries, службы упаковки микросхем в Санта-Кларе, Калифорния.
Чипы ничего не могут сделать без возможности соединения их с другими компонентами, а это значит, что они должны быть помещены в какой-то корпус, способный передавать электрические сигналы. Этот процесс начинается после того, как фабрики завершат начальную фазу производства, которая может создать сотни чипов на кремниевой пластине. Как только эта пластина разрезается на части, отдельные чипы обычно прикрепляются к ключевому базовому слою, называемому подложкой, который может проводить электрические сигналы.
Затем эта комбинация покрывается защитным пластиком, образуя корпус, который можно вставить в печатную плату, необходимую для подключения к другим компонентам системы.
Первоначально эти процессы требовали большого количества ручного труда, что побудило компании Силиконовой долины переместить упаковку в страны Азии с более низким уровнем заработной платы более 50 лет назад. Большинство чипов обычно доставляются в упаковочные службы в таких странах, как Тайвань, Малайзия, Южная Корея и Китай.
С тех пор достижения в области упаковки приобрели важное значение из-за убывающей отдачи от закона Мура, сокращенного выражения для миниатюризации чипов, которое на протяжении десятилетий приводило к прогрессу в Силиконовой долине. Он назван в честь Гордона Мура, соучредителя Intel, чья статья 1965 года описала, как быстро компании удвоили количество транзисторов в типичном чипе, что повысило производительность при меньших затратах.
Но в наши дни транзисторы меньшего размера не обязательно дешевле, отчасти потому, что строительство заводов по производству передовых чипов может стоить от 10 до 20 миллиардов долларов. Большие и сложные чипы также требуют больших затрат при проектировании и, как правило, имеют больше производственных дефектов, даже несмотря на то, что компаниям, занимающимся такими областями, как генеративный ИИ, требуется больше транзисторов, чем в настоящее время позволяют разместить самые большие машины для производства чипов.
«Естественный ответ на это — поместить больше вещей в один корпус», — сказал Анирудх Девган, исполнительный директор Cadence Design Systems, чье программное обеспечение используется для разработки как обычных чипов, так и продуктов в стиле чиплетов.
Synopsys, конкурент, заявила, что отслеживает более 140 проектов клиентов, основанных на объединении нескольких чипов. По данным исследовательской фирмы Yole Group, к 2027 году до 80% микропроцессоров будут использовать конструкции в стиле чиплетов.
Сегодня компании обычно разрабатывают все чиплеты в одном корпусе вместе со своей собственной технологией подключения. Но отраслевые группы работают над техническими стандартами, чтобы компаниям было проще собирать продукты из микросхем разных производителей.
Новая технология в основном используется сейчас для экстремальной производительности. Intel недавно представила процессор под названием Ponte Vecchio с 47 микросхемами, который будет использоваться в мощном суперкомпьютере в Аргоннской национальной лаборатории недалеко от Чикаго.
В январе AMD обнародовала планы по выпуску необычного продукта MI300, который сочетает в себе чиплеты для стандартных вычислений с чиплетами, предназначенными для компьютерной графики, а также большой набор микросхем памяти. Этот процессор, предназначенный для питания еще одного передового суперкомпьютера в Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса, имеет 146 миллиардов транзисторов по сравнению с десятками миллиардов в самых передовых обычных чипах.
Сэм Наффзигер, старший вице-президент AMD, сказал, что для компании не было авантюрой сделать ставку на чиплеты в своем бизнесе по выпуску серверных компьютеров. По его словам, сложность упаковки была серьезным препятствием, которое в конечном итоге было преодолено с помощью неизвестного партнера.
Но чиплеты окупились для AMD. По данным Mercury Research, с 2017 года компания продала более 12 миллионов чипов, основанных на этой идее, и стала крупным игроком в микропроцессорах, обеспечивающих работу Интернета.
Службам упаковки по-прежнему нужны другие поставщики подложек, которые нужны чиплетам для подключения к печатным платам и друг к другу. Одной из компаний-лидеров бума чиплетов является Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, которая уже производит чипы для AMD и сотен других компаний и предлагает усовершенствованную подложку на основе кремния, называемую интерпозером.
Intel разрабатывает аналогичную технологию, а также совершенствует менее дорогие обычные пластиковые подложки в рамках подхода, который предпочитают некоторые, например стартап из Силиконовой долины Eliyan. Intel также разрабатывает новые прототипы упаковки в рамках программы Пентагона и надеется заручиться поддержкой Закона о ЧИПах для нового экспериментального завода по производству упаковки.
Но в Соединенных Штатах нет крупных производителей этих подложек, которые в основном производятся в Азии и произошли от технологий, используемых при производстве печатных плат. Многие американские компании также покинули этот бизнес, что еще раз беспокоит отраслевые группы, которые, как надеются отраслевые группы, будут стимулировать федеральное финансирование, чтобы помочь поставщикам плат начать производить подложки.
В марте г-н Байден издал определение о том, что современное производство корпусов и печатных плат в стране имеет важное значение для национальной безопасности, и объявил о выделении 50 миллионов долларов в соответствии с Законом об оборонном производстве для американских и канадских компаний в этих областях.
Даже с такими субсидиями сборка всех элементов, необходимых для снижения зависимости США от азиатских компаний, «является огромной проблемой», — сказал Андреас Олофссон, который руководил исследованиями Министерства обороны в этой области, прежде чем основать стартап по производству упаковки под названием Zero ASIC. «У вас нет поставщиков. У вас нет рабочей силы. У вас нет оборудования. Вы должны начать как бы с нуля».
Ана Суонсон внес отчетность.
