Сокращенное руководство по кремниевым печатным платам

Предисловие Кевина Морриса

Вы заметили, что для печатных плат не существует закона Мура? Конечно, за последние пару десятилетий мы наблюдали некоторое постепенное улучшение технологии печатных плат, но мы по-прежнему продвигаем FR4 почти так же, как и всегда, и теперь печатная плата является огромным ограничивающим фактором в нашей способности миниатюризировать наши платы. систем и сделать их более надежными.

Пришло ли время отказаться от FR4?

Боб Конн — очаровательный парень, которого многие из нас, инженеров, называют «человеком эпохи Возрождения». Мы рады представить первую из серии статей Боба о кремниевых платах (SiCB). Боб познакомит нас с практическими аспектами использования SiCB в современном мире и даст нам представление о том, как SiCB могут стать жизнеспособными решениями для все более широкого сегмента нашей проектной работы.

Наслаждаться!

-Кевин Моррис

В следующей серии статей я представлю проект высокопроизводительной вычислительной системы (HPC) на основе кремниевой печатной платы, способной обеспечить производительность в один петафлоп на один кубический метр. Эта серия будет охватывать множество технологий, немного истории и изрядное количество повествований. Это будет руководство о том, как я буду создавать кремниевые 2,5D- и 3D-системы с использованием кремниевых печатных плат.

-Боб Конн

———————————————————–

Сокращенное руководство по кремниевым печатным платам

Кремниевые платы (SiCB) аналогичны печатным платам (PCB), но изготовлены на кремниевой подложке, а не на кремниевой подложке FR-4. Предполагаемыми компонентами являются голая матрица и сложенная 3D-матрица, а также любая упакованная деталь с выступами. Кремниевые печатные платы могут быть изготовлены практически на любом типичном литейном заводе по производству пластин с использованием либо конечной, либо предварительной обработки, в зависимости от литейного производства.

Размеры SiCB находятся между печатными платами и интегральными схемами (ИС). Типичная печатная плата имеет размеры 10 на 10 дюймов, типичная SiCB — 2 на 3 дюйма, а сторона микросхемы составляет менее дюйма.

Кремниевые переходники, в отличие от кремниевых печатных плат, обычно имеют размер, ограниченный сеткой – около 1 квадратного дюйма – и предназначены для размещения в корпусе. Кремниевые интерпозеры часто соединяют устройства, специально предназначенные для взаимодействия с кремниевым интерпозером — например, кремниевый интерпозер Xilinx соединяет 4 отдельных кристалла FPGA, предназначенных для интерпозера. В настоящее время ряд поставщиков занимаются изготовлением кремниевых переходников.

SiCB не ограничиваются размером сетки. Они могут быть размером с пластину. Они больше похожи на небольшие печатные платы с десятками компонентов. Просто вынув кристаллы из упаковки и уменьшив размеры дорожек, можно превратить проект, основанный на большой печатной плате FR-4, в проект на маленькой плате SiCB, размер которой составляет менее четверти размера.

Конструкция HPC на SiCB может включать в себя 4 больших кристалла FPGA и 8 или 16 кристаллов памяти, возможно, кристалл ЦП, некоторые встроенные в масштаб микросхемы драйверы тактового генератора, развязывающие конденсаторы и разъемы ввода-вывода. См. рисунок 1. Это может быть размер примерно 60 x 70 мм и толщина менее 3 мм – с компонентами. Добавьте еще несколько миллиметров для радиаторов.

Рис. 1. Кремниевая печатная плата размером 58 x 68 мм, предназначенная для высокопроизводительных вычислений.

Как я начал исследовать SiCB

В то время, когда я начал интересоваться SiCB, я работал в Xilinx. Мы хотели выполнять огромные симуляции SPICE намного быстрее. Часто время выполнения составляло несколько месяцев, поэтому нам не хватало большого количества проверок.

Я подсчитал, что мне нужно около 64 больших FPGA, чтобы выполнять задания SPICE примерно в 100 раз быстрее, чем мы могли делать в то время. Но 64 FPGA и связанная с ними память, регуляторы и т. д. занимают много места – обычно 19-дюймовую стойку или несколько очень больших печатных плат. Могу ли я сделать ее намного меньше? Я хотел поставить ее на свой стол и заняться масштабным SPICE. симуляционная работа.

Я поделился этой проблемой с двумя друзьями за пивом на пивоварне Los Gatos. Поскольку в то время я баловался укладкой голых кубиков (кубиков памяти конфигурации поверх кристалла FPGA) в Xilinx, и мы втроем спроектировали и построили множество печатных плат с использованием упакованных FPGA, мы думали, что знаем достаточно, чтобы соединить кучу голых кристаллов FPGA на одной пластине — может быть, 8 или 16 — с большим количеством кристаллов памяти.