La guida condensata ai circuiti stampati in silicio

Prefazione di Kevin Morris

Hai notato che non esiste la legge di Moore per i circuiti stampati? Certo, abbiamo assistito a un graduale miglioramento della tecnologia PCB negli ultimi due decenni, ma stiamo ancora spingendo FR4 più o meno nello stesso modo in cui abbiamo sempre fatto, e il PCB è ora un enorme fattore limitante nella nostra capacità di miniaturizzare il nostro sistemi e renderli più affidabili.

Sarà giunto il momento di abbandonare l'FR4?

Bob Conn è un ragazzo affascinante, quello che molti di noi nel campo dell'ingegneria considererebbero un "uomo del rinascimento". Siamo entusiasti di presentare il primo di una serie di articoli di Bob sui circuiti stampati in silicio (SiCB). Bob ci guiderà attraverso gli aspetti pratici dell'utilizzo dei SiCB nel mondo attuale e ci fornirà informazioni su come i SiCB potrebbero evolversi come soluzioni praticabili per un segmento sempre più ampio del nostro lavoro di progettazione.

Godere!

-Kevin Morris

Nella serie di articoli che segue presenterò il progetto di un sistema di calcolo ad alte prestazioni (HPC) basato su circuito stampato in silicio, in grado di fornire un petaflop di prestazioni in un metro cubo. Questa serie riguarderà molta tecnologia, un po' di storia e una discreta quantità di narrazione. Sarà una guida fai-da-te su come costruirei sistemi in silicio 2.5D e 3D utilizzando circuiti stampati in silicio.

-Bob Connect

———————————————————–

La guida condensata ai circuiti stampati in silicio

I circuiti stampati in silicio (SiCB) sono simili ai circuiti stampati (PCB) ma realizzati con un substrato di silicio anziché FR-4. I componenti previsti sono la matrice nuda e la matrice 3D impilata, così come qualsiasi parte imballata con urti. I circuiti stampati in silicio possono essere realizzati in quasi tutte le tipiche fonderie di wafer utilizzando la lavorazione back-end o front-end, a seconda della fonderia.

Le dimensioni dei SiCB rientrano tra i PCB e i circuiti integrati (IC). Un tipico PCB misura 10 pollici per 10 pollici, un tipico SiCB misura 2 pollici per 3 pollici e un circuito integrato misura meno di un pollice su un lato.

Gli interpositori in silicio, distinti dai circuiti stampati in silicio, sono generalmente di dimensioni limitate dal reticolo - circa 1 pollice quadrato - e sono destinati ad essere inseriti in un pacchetto. Gli interposer in silicio spesso collegano elementi specificamente progettati per interfacciarsi con l'interposer in silicio: ad esempio, l'interposer in silicio Xilinx collega 4 dadi FPGA separati progettati per l'interposer. Numerosi fornitori ora forniscono la fabbricazione di interposer in silicio.

I SiCB non sono limitati alle dimensioni di un reticolo. Possono avere le dimensioni di un wafer. Sono più simili a piccoli PCB con dozzine di componenti. Semplicemente rimuovendo i dadi dalla confezione e riducendo le dimensioni delle tracce, è possibile trasformare un progetto basato su un PCB FR-4 di grandi dimensioni in uno su un piccolo SiCB, che è meno di un quarto delle dimensioni.

Un progetto HPC su un SiCB può includere 4 grandi dadi FPGA e 8 o 16 dadi di memoria, forse un die CPU, alcuni driver oscillatore/clock confezionati su scala di chip, condensatori di bypass e connettori I/O. Vedere la Figura 1. Potrebbe avere una dimensione di circa 60 mm x 70 mm e uno spessore inferiore a 3 mm, con i componenti. Aggiungi qualche millimetro in più per i dissipatori di calore.

Figura 1. Un circuito stampato in silicio da 58 mm x 68 mm destinato all'elaborazione ad alte prestazioni

Come ho iniziato a fare ricerche sui SiCB

Lavoravo presso Xilinx nel momento in cui ho iniziato ad interessarmi ai SiCB. Volevamo realizzare enormi simulazioni SPICE molto più velocemente. Spesso avevamo tempi di esecuzione di mesi, quindi mancavano molte verifiche.

Ho pensato che avrei avuto bisogno di circa 64 grandi FPGA per eseguire lavori SPICE circa 100 volte più velocemente di quello che eravamo in grado di fare in quel momento. Ma 64 FPGA e la memoria associata, i regolatori, ecc. occupano molto spazio, in genere un rack da 19" o diversi PCB molto grandi. Potrei renderlo molto più piccolo? Volevo posizionarlo sulla mia scrivania e fare un enorme SPICE lavoro di simulazione.

Ho condiviso questo problema con due amici davanti a una birra al birrificio Los Gatos. Dato che all'epoca mi stavo dilettando nell'impilare dadi nudi (dadi di memoria di configurazione sopra un die FPGA) presso Xilinx, e noi tre avevamo progettato e costruito un sacco di PCB utilizzando FPGA confezionati, pensavamo di saperne abbastanza per connettere un mucchio di semplici dadi FPGA su un singolo wafer – forse 8 o 16 – con molti dadi di memoria.