Площадь кристалла упёрлась в размер поля экспозиции. Дальше расти можно только вширь — собирая несколько кристаллов в одно изделие.
Когда обсуждают прогресс в микроэлектронике, говорят о нанометрах. Привычка эта складывалась полвека и имела основания: уменьшение транзистора давало и быстродействие, и плотность, и экономию энергии разом.
Сейчас картина изменилась. Прирост от перехода на следующую норму сократился, стоимость этого перехода выросла, а изделия, которые определяют лицо отрасли, вышли за пределы одного кристалла. И стадия, которая десятилетиями считалась скучным завершением производства, превратилась в определяющую.
Потолок, в который упёрлись
Начать стоит с ограничения, о котором редко говорят вне профессиональной среды.
Рисунок на пластину переносится экспозицией через фотошаблон. Поле экспозиции имеет конечный размер — у современных установок это примерно 26 × 33 мм. Кристалл больше этой площади за одну экспозицию изготовить нельзя.
Долгое время ограничение было теоретическим: кристаллы в него укладывались с запасом. Сейчас крупные вычислительные изделия подошли к этому пределу вплотную.
Выход только один — собирать изделие из нескольких кристаллов. Сингапурские разработчики показали корпусирование с площадью сборки, превышающей размер фотошаблона в 5,5 раза. Это и есть направление, по которому растут современные вычислители: не вглубь по нормам, а вширь по площади сборки.
Как соединяют кристаллы
Разберём основные технологии, потому что за общим словом «корпусирование» стоят довольно разные вещи.
Сквозные отверстия в кремнии — вертикальные проводящие каналы, проходящие через весь кристалл насквозь. Они позволяют укладывать кристаллы стопкой и соединять их напрямую, минуя обвод по краям. Именно так собраны стеки памяти с высокой пропускной способностью: несколько кристаллов памяти друг над другом, с тысячами вертикальных связей между ними.
Микровыводы — традиционный способ соединения кристалла с подложкой через шарики припоя. Шаг между ними измеряется десятками микрон. Технология зрелая и дешёвая, но при большом количестве соединений и малом шаге упирается в собственные пределы: припой при оплавлении растекается, соседние соединения могут замкнуться.
Гибридное соединение — следующий шаг. Здесь два кристалла соединяются напрямую: медные площадки к медным площадкам, диэлектрик к диэлектрику, без припоя вообще. Поверхности полируются до атомарной гладкости, совмещаются с субмикронной точностью и соединяются под давлением и нагревом. Шаг соединений падает до единиц микрон, а значит, количество связей между кристаллами вырастает на порядки.
Расплата — требования к чистоте и точности. Частица пыли между поверхностями губит сборку целиком. Именно поэтому гибридное соединение остаётся технологией дорогой и осваиваемой узким кругом производств.
Почему процент годных здесь решает всё
Вот момент, который объясняет экономику современных изделий.
Представьте стек из двенадцати кристаллов памяти. Каждый из них по отдельности прошёл проверку и признан годным. Но собрать их в стек — отдельная операция, и у неё свой процент успеха. Если на каком-то слое соединение не удалось, бракуется весь стек — вместе с одиннадцатью исправными кристаллами.
Отсюда и стоимость таких изделий. Цена стека памяти для ускорителя складывается не только из стоимости кристаллов, но и из стоимости тех сборок, которые ушли в брак.
Отсюда же и важность контроля на этой стадии. Раннее выявление дефекта позволяет не вкладываться дальше в заведомо негодную сборку — именно поэтому производители систем контроля участвуют в программах по корпусированию наравне с самими фабриками.
Что из этого следует для отрасли
Несколько практических выводов:
1. Страна или компания может занять заметное положение в отрасли, не имея передовых фабрик логики. Корпусирование требует другого оборудования, других компетенций и гораздо меньших вложений, чем фабрика на тонких нормах.
2. Срок жизни зрелых технологических норм удлиняется. Если характеристики изделия определяются сборкой, то кристаллы в этой сборке не обязаны все быть изготовлены по передовым нормам. Аналоговая часть, интерфейсы, память прекрасно живут на зрелых процессах.
3. Уже для разработчика: узким местом в современных изделиях стали соединения, а не вычисления. Отсюда и внимание отрасли к оптическим межсоединениям, и к тому, чтобы память располагалась физически ближе к вычислителю.
Для отечественной микроэлектроники, где серийные нормы составляют 90 нм, этот разворот отрасли — редкий случай попутного ветра. Корпусирование и сборка не требуют передовой литографии, а значение их растёт.
