פיתוח שבבים מתקדמים הולך ונעשה מאתגר יותר ויותר. שבבים ליישומי מיחשוב בעלי ביצועים גבוהים (HPC) כמו מעקב אחר שינויי אקלים, רצף גנום או שידור ארוע בזמן אמת, מציג בפני המפתחים אתגרים הולכים וגדלים בניהול העלויות והתשואות הנלוות. באותה עת, כל מה שמשותף ליישומים הללו כמו למשל גדלי המסכות, הדרישה לזמן השהייה נמוך וקישוריות רוחב פס גבוה גדל באופן משמעותי.
ככל שחוק מור ממשיך להאט את ההתקדמות בקצב פחות צפוי, טכנולוגיות תכנון חדשות יותר כמו פוטוניקה משולבת ותכנוני3D IC (מעגלים תלת מימדיים) הופכים פופולריים יותר ויותר בקרב מפתחים בתעשיית השבבים.
בעוד ששתי הטכנולוגיות הללו אינן מייצגות מושגים חדשים, היכולת המתקדמת שלהן להניע ביצועים גבוהים יותר, בהספק נמוך יותר או בעלות מופחתת בתהליכי התכנון והייצור עוזרת מאד להניע את האימוץ שלהן.
נתחיל בפוטוניקה. המחקר על מינוף כוחו של האור החל עם המצאת הלייזר בשנות ה-60. התופעה נוצרה במטרה לנצל את האור כדי לבצע את הפונקציות שבדרך כלל בוצעו בעזרת אלקטרוניקה רגילה.
בשבבים התקניים, האלקטרונים עוברים דרך רכיבים חשמליים. במעגלים פוטונים לעומת זאת, מעבדים ומפיצים מידע באמצעות פוטונים העוברים דרך רכיבים אופטיים כמו לייזרים, מוליכי גל, מאפננים וכו'. תחום הפוטוניקה הפך למיינסטרים בתכנון שבבים עבור המאפיינים הייחודיים של האור המאפשרים לשבבים וצ'יפלטים פוטוניים להעביר מידע למרחקים עצומים. במהלך השנים, גילו חוקרים שע"י מניפולציה של תכונות האור, ניתן לייצר מכשירים ומערכות המחקים מכשירים חשמליים טיפוסיים כמו מגברים, מתגים ומסננים.
על ידי המעבר לפוטוניקה, מתכנני שבבים יכולים לצפות לשיפורים בסדרי גודל גם במהירות העברת הנתונים, גם בצריכת החשמל וגם ברגישות עבור מספר תחומים של חישה והדמיה.
כיום, אנו רואים יותר ויותר הזדמנויות עבור יישומים פוטוניים להשתלב בתהליכי התכנון והייצור של מערכות, התקנים ו. ICs- בעזרת מעגלים משולבים פוטוניים, (PICs) תעשיות כמו טלקום,תקשורת נתונים ((Datacom ויישומי חישה גבוהה כגון LiDAR ו Biosensing- משיגות ביצועים ורזולוציה גבוהים יותר בהספק נמוך יותר. ככל שחברות נוספות ימשיכו להשקיע בארכיטקטורות חדשות כגון מיחשוב אופטי ומיחשוב קוונטי פוטוני, הצמיחה ביישומים אלה תעצב את שיקולי התכנון של מקלט משדר אופטי, כאשר בקרוב תופיע המגמה של שבבי קלט/פלט אופטיים קרובים או ארוזים יחד ופוטוניקה משולבת.
תכנון מדורג עפ"י אמות מידה
בעוד שהפוטוניקה היא טכנולוגיה מבטיחה, האתגר שמתכננים חייבים להיות מודעים אליו הוא קנה המידה. עקרונות הפוטוניקה מעדיפים עיקולים במקום פינות חדות, מה שאומר ששטח ספציפי שהמעגל הפוטוני צורך נוטה להיות הרבה יותר גדול מ- IC חשמלי. בדרך כלל, מתכננים יודעים לייצר IC דיגיטלי גדול עם טרנזיסטורים רבים עפ"י מגבלות הייצור. אך בפוטוניקה, רגישות הייצור היא הרבה יותר גדולה ממה שהמתכננים רגילים אליו. התעשייה עובדת קשה כדי לספק למתכננים ערכות תכנון תהליכים בוגרים (PDK) המשלבות את האלוצים הללו.
כאמור, פוטוניקה היא לא התחום היחיד הצובר פופולריות בקרב מתכנני שבבים. D ICs 3 מהווה טרנד מרכזי כולל ישומי מרכזי נתונים, בינה מלאכותית , בינה מלאכותית, 5G , HPC ועוד.
המעבר מתכנון D IC 2 ל-D IC 3 מאתגר
בהשוואה לתכנון מעגלים דו מימדים ו-D IC 2.5, ארכיטקטורות תלת מימד הן פתרון אופטימלי עבור ישומים עתירי כח מיחשוב ע"י שילוב תלת-ממדי קיצוני, הטרוגני והומוגני – תכונה החסרה לארכיטקטורות דו-ממדיות. ביישומים ניידים משתמשים כעת ב-D IC 3 בשל הדרישה לביצועים טובים יותר בקנה מידה מוגבל ביותר.
אמנם יצירת מספר מערכות-על-שבבים (SoCs) וערימתם יחד נראית פשוטה, אך המעבר מארכיטקטורה דו-מימדית לתלת-מימד אינו קל.
בעולם ה-D IC 2 מתכנני השבבים יודעים להתמודד עם פיתוח הSoCs- שלהם באמצעות סט של כלים, מתודולוגיות ותכנון זרימה. במעבר לתלת מימד המתכננים מחפשים את אותה קבוצה של תכנוני זרימה ומתודולוגיות עבור תהליכי התכנון והאימות שלהם. עם זאת, המתכננים חייבים ליצור את תכנוני ה-D 2.5 וה- 3D IC שלהם בסביבה מפוצלת מאוד המאופינת על ידי פתרונות נקודתיים שונים ללא דרך לחבר אותם ביעילות. בלית ברירה, המתכננים מבצעים הערכות ידניות כדי לקבוע כיצד להציב את ה IPs- שלהם על כל בלוק והיכן למקם בצורה המיטבית מיקרו בליטות וTSV- המשויכות לכך. כל זאת כדי ליצור את ארכיטקטורת שילוב המערכת האופטימלית ביותר. מכיוון ש-D IC 3 יכול להתאים למאות מיליוני חיבורים, היעדר ניתוח ומשוב משולבים הופך את המשימה הזו ללא מעשית ולא יעילה.
כיום ניתן לומר כי הפעלת תכנונים מורכבים יותר ויותר, קפיצה מכלים שונים ליישום תכנון, ניתוח חתימה וחקירת תכנון, אינן דרך יעילה להתרחבות.
אתגר נוסף בתכנון D IC 3 הוא יעילות זרימת העבודה בקרב צוותים שונים המעורבים בתהליך התכנון, כגון אריזה, יצירת/אינטגרציה של IP ,הטמעה, תכנון וכו'. בדרך כלל, בתכנוני D IC 2 מסירת התכנון המושלם ברמת השבב ל- צוות האריזה יהיה קל יחסית. לעומת זאת, בתכנוניD ICs 3 ייתכן שהתכנון המתקבל לא יעמוד בביצועים לאחר האריזה, מה שיוביל להרבה יותר הליכה קדימה ואחורה. זה נובע מהאופן שבו מתרחשת האופטימיזציה ברמת המערכת וזה תלוי כמובן במתכנני השבבים שיצליחו לחלץ את הביצועים המקסימליים של התכנון ברמה הארכיטקטונית. ב2D SoC – מסורתי, רמת ההפשטה התפתחה מהטרנזיסטור לרמת הIP- בעוד שהפשטת D IC 3 מתרחשת ברמת ה . Chiplet- בהתחשב בכך ש Chiplets- יכולים להיות בצמתי תהליך שונים ולתמוך בפונקציות שונות, אופטימיזציה של תכנוני Chiplets כדי לעמוד ביעדי ביצועים היא הרבה יותר מאתגרת.
אתגרים נוספים צפויים עם ארכיטקטורת D IC 3 בתחומים כמו ניהול תרמי ובדיקות. פיזור חום לקוי או מופרז, עלולים לנבוע מתכנון לקוי של רצפה תלת מימדית ולחסום את ביצועי המערכת .
בצד הבדיקות יש צורך בגישת תכנון לבדיקות כדי לזהות את הנקודות הבעייתיות לאורך הערימה כולה מכיוון שכלי בדיקה יכולים לגשת רק לקובייה התחתונה. כמות האתגרים המתעוררים בעת המעבר מארכיטקטורת דו-ממדית לתלת-ממדית, מחייבת לתעדף את חלוקת זרימת העבודה בין צוותים שונים וחיונית להשגת תוצאות מקסימליות.
השלב הבא
תחום הפוטוניקה וה-D IC 3 מביאים הזדמנויות חדשות ומרגשות בתכנון וייצור שבבים. השימוש בפוטוניקה דורש את הטכניקות המתאימות, ואת הכלים העדכניים ביותר, אך אין ספק שנראה יותר ויותר ישומים המשלבים פוטוניקה, במקביל לכך שהמהנדסים ילמדו כיצד לייעל את תכנוניהם בצורה המיטבית כדי להשיג את הביצועים הרצויים.גם בתחום ה – 3D IC יש אתגרים שמהנדסי התכנון יצטרכו להתגבר עליהם. השימוש בטכנולוגיה זו הוא מאתגר אבל היא עדיין טובה יותר מארכיטקטורות דו-ממדיות.
לכן, מותר להניח כי פוטוניקה משולבת ו-D IC 3 יהפכו לנפוצים יותר בקרב מהנדסי השבבים בעיקר בשל היכולות האטראקטיביות שלהן, ובכך יסייעו למתככני דור השבבים הבא להשיג את הביצועים הגבוהים ביותר בהספק הנמוך ביותר.
