< Terug naar vorige pagina

Project

Impact van opkomende elektrische en optische 3D-integratietechnologieën op verbindingssystemen met hoge bandbreedte

De prestaties van een elektronisch systeem worden beperkt door de snelheid waarmee gegevens worden uitgewisseld tussen de verschillende subsystemen (Central Processing Unit (CPU), Graphics Processing Unit (GPU), geheugen, custom co-processoren en analoge circuits), en de snelheid waarmee deze gegevens worden verwerkt. De industrie maakt gebruik van het System-on-Chip (SoC)-concept, waarbij sommige subsystemen op dezelfde chip worden gecombineerd om de prestaties te verbeteren. Niet alle onderdelen van het systeem kunnen echter op dezelfde chip passen, en de kosten in verband met het opschalen van chips in geavanceerde CMOS-technologieën maken deze oplossing steeds minder interessant. De voortdurende ontwikkeling van verpakkingsoplossingen heeft echter een alternatief mogelijk gemaakt, waarbij de verschillende subsystemen in dezelfde verpakking worden geïntegreerd. Deze integratie vermindert de communicatieafstand, hetgeen op zijn beurt leidt tot een verhoging van de datasnelheid en van het aantal interconnecties. Dit laatste wordt mogelijk gemaakt door het gebruik van geavanceerde lithografieprocédés, die niet beschikbaar zijn voor interconnecties buiten de verpakking. Technologieën zoals silicium interposer, Embedded Multi-Die Interconnect Bridge (EMIB), Local Silicon Interposer (LSI), Fan-Out Wafer Level Package (FO-WLP) maken submicron interconnecties mogelijk voor chip-to-chip communicatie binnen een verpakking. Samen met de voortdurende schaling van de CMOS-technologie zijn de prestaties van onze elektronische apparaten hierdoor sterk verbeterd sinds de uitvinding van de eerste geïntegreerde schakeling in 1958. 

In de afgelopen decennia zijn optische verbindingen naar voren gekomen als de ultieme oplossing voor krachtige communicatie op middellange en lange afstand (afstanden van meters tot kilometers), aangezien zij beter presteren dan hun elektrische tegenhangers, zowel qua vermogen als qua bandbreedte. Van de bestaande fotonische technologieën is Silicon Photonic (SiPh) zeer populair geworden, omdat het is gebaseerd op gevestigde CMOS-procestechnieken, waarbij gebruik wordt gemaakt van de investeringen die decennia lang in de fabrieken zijn gedaan.

Voor communicatie over korte afstanden (in-package) worden optische verbindingen tot op heden echter als te energieverslindend beschouwd om een sterk alternatief te vormen voor elektrische verbindingen, hoewel hun datasnelheden aanzienlijk hoger kunnen liggen. De ontwikkeling van optische componenten met laag verlies en nieuwe verpakkingstechnologieën verminderen echter het stroomverbruik, en in de nabije toekomst zullen sommige elektrische interconnecties wellicht worden vervangen door optische verbindingen. Om in-package elektrische en optische verbindingen te vergelijken, zijn in dit werk ontwerp- en optimalisatietools ontwikkeld om de bandbreedtedichtheid en energie-per-bit van verschillende systemen te kwantificeren en te optimaliseren. Deze hulpmiddelen worden gebruikt om de invloed van verschillende link-parameters op deze twee metrieken te evalueren. De parameters zijn interconnectielengte, bump pitch schaling, belastingsparasitairen, voedings-swing, en driver sterkte voor elektrische links. Voor optische verbindingen wordt de invloed van modulatoren, interconnectielengte, datasnelheid en chiptemperatuur geëvalueerd. Dit laatste is een essentieel aandachtspunt omdat de SiPh-technologie gevoelig is voortemperatuurschommelingen, met name de modulator. Ter compensatie van deze variaties worden lokale verwarmingselementen gebruikt, die een aanzienlijke invloed hebben op de energie-per-bit.


Naast het modelleringsgedeelte is een prototype gerealiseerd van een 7 mm lange chip-naar-chip elektrische verbinding op een silicium interposer. De CMOS-diesels zijn ontworpen en gefabriceerd in een 14nm FinFET-technologie, en de interposer is gefabriceerd door imec met een 65nm CMOS BEOL-technologie. Het doel hiervan is twee verschillende geoptimaliseerde elektrische interfaces beter te karakteriseren en te vergelijken. De eerste is vergelijkbaar met de huidige elektrische verbindingen tussen logica en geheugen, die werken bij een swing van 1,2 V, en de tweede is een elektrische interface met een lage swing, geoptimaliseerd voor een lage energie-per-bit en een hogere bandbreedtededichtheid. De studie die is uitgevoerd op een elektrische link toont, voor de 1,2V swing, een bandbreedtedichtheid van 1,43Tbps/mm voor een energie-per-bit van 1pJ/bit aan. De low-swing versie verbetert de bandbreedtededichtheid tot 2,57Tbps/mm, mede door zijn hogere datasnelheid, en dit met slechts een derde van de energie-per-bit (338fJ/bit) van de interface met 1,2V swing.

Ter vergelijking, de studie van de optische link toont aan dat voor dezelfde FinFET technologie, met een Quantum-Confined Stark Effect (QCSE) Electro-Absorption Modulator (EAM) samen met een wafer-to-wafer (W2W) hybride bonding schema, de energie-per-bit van een in-package optische link kan worden teruggebracht tot 0,4pJ/bit rond 8Gbps, wat een minimale bandbreedtedichtheid vertegenwoordigt van 0,8Tbps/mm. Bovendien maken de verminderde parasitairen veroorzaakt door de wafer-to-wafer bonding het mogelijk om de datasnelheid te verhogen tot boven 60Gbps, met een energie-per-bit nog steeds onder 1pJ/bit en bandbreedtedichtheden boven 6Tbps/mm. Een van de grote voordelen van optische verbindingen is hun ongevoeligheid voor interconnectielengte als gevolg van de lage verliezen in de optische golfgeleiders. Ter vergelijking: het stroomverbruik en de bandbreedtedichtheid van elektrische verbindingen zijn sterk afhankelijk van de communicatieafstand. Door de resultaten van het elektrische link-prototype te extrapoleren als functie van de interconnectielengte, kan dit werk het break-even punt tussen elektrische en optische links voor in-package communicatie in kaart brengen. Als de bandbreedtedichtheid gedeeld door de energie-per-bit als benchmarking metriek wordt gebruikt, ligt het break-even punt bij een interconnectielengte van 13mm voor een optische link die geoptimaliseerd is voor de laagste-energie-per-bit vergeleken met de elektrische interface met lage swing. Anderzijds, als een optische verbinding wordt geoptimaliseerd voor maximale doorvoer, daalt het break-even punt tot 4 mm.

De toekomst zal uitwijzen of SiPh-technologieën al dan niet elektrische in-package links op middellange afstand zullen vervangen, maar deze PhD thesis heeft alvast de weg gebaand, en de belangrijkste knelpunten en de belangrijkste componenten geïdentificeerd om deze belangrijke technologische doorbraak mogelijk te maken. Recente ontwikkelingen op het gebied van QCSE EAM's en W2W hybride binding suggereren dat optische verbindingen een veelbelovende toekomst hebben. De elektrische verbindingen zullen echter niet op korte termijn verdwijnen en zullen ook profiteren van de technologische vooruitgang op het gebied van verbindingstechnieken, waardoor hun stroomverbruik nog verder zal dalen.

Datum:7 okt 2013 →  15 dec 2021
Trefwoorden:silicon photonics, interconnect, packaging
Disciplines:Nanotechnologie, Ontwerptheorieën en -methoden
Project type:PhD project