Немецкий исследовательский институт Fraunhofer IPMS разработал метод компоновки полупроводников, который позволяет размещать микроскопические чиплеты прямо в заранее подготовленных углублениях на кремниевой пластине-интерпозере. Технология получила название квазимонолитная интеграция (QMI) и обеспечивает практически бесшовное соединение разнородных вычислительных блоков. Разработка стала первым значимым результатом европейской пилотной линии APECS, которая стартовала в рамках Закона о чипах ЕС.
Главная особенность подхода заключается в том, что отдельные кристаллы не монтируются на поверхность подложки с помощью привычных столбиков припоя или клеящих составов, а утапливаются в специально вытравленные карманы. После этого вся поверхность пластины выравнивается пассивирующим слоем, а электрические соединения формируются в ходе стандартного цикла изготовления полупроводников. Такой порядок операций позволяет получить монолитоподобную архитектуру, где чиплеты и интерпозер образуют единое целое без видимых механических стыков.
Работы велись на пластинах диаметром 300 миллиметров. В ходе эксперимента исследователи применили тестовые кристаллы-имитаторы, которые воспроизводят геометрию реальных компонентов, но не несут работающих электрических схем. Успешное прохождение полной технологической цепочки с этими структурами подтвердило осуществимость метода и открыло дорогу к переносу процесса на практически значимые устройства.
Квазимонолитная интеграция обладает рядом преимуществ перед традиционными способами упаковки. Проводники, которые связывают отдельные чиплеты, формируются на этапе так называемой фронтальной обработки пластины, а не на заключительных стадиях сборки корпуса. Это обстоятельство резко повышает достижимую плотность межсоединений и сокращает длину сигнальных линий. Короткие трассы уменьшают задержки и потери при передаче данных, что напрямую сказывается на быстродействии всей системы. Кроме того, сокращение количества механических интерфейсов повышает надёжность и увеличивает срок службы готового изделия.
С точки зрения занимаемой площади решение также выигрывает у классических многокристальных сборок. Элементы интегрируются почти так же плотно, как на монолитном кристалле, однако сохраняется гибкость модульного подхода, при котором каждый функциональный блок можно проектировать и изготавливать по оптимальной для него технологии. Подобное сочетание особенно востребовано в приложениях, где на одной подложке требуется объединить управляющую логику, память, аналоговые схемы, микроэлектромеханические системы и оптические компоненты.
APECS представляет собой общеевропейскую пилотную линию, которая призвана укрепить позиции региона в области передовой упаковки и гетерогенной интеграции. Проект координируется Обществом Фраунгофера и объединяет десять партнёров из восьми стран. В их числе бельгийский центр Imec, французский CEA-Leti, финский VTT, греческий FORTH, а также исследовательские организации из Австрии, Испании, Португалии и несколько германских институтов. Совокупный бюджет инициативы на четыре с половиной года составляет 730 миллионов евро, а финансирование поступает от совместного предприятия Chips Joint Undertaking и национальных программ государств-участников.
Интерес к разработке уже проявили промышленные компании, чьи изделия выиграют от совмещения разнородных технологий в одном корпусе. Среди возможных областей применения называют высокопроизводительные вычисления, нейроморфные системы, доверенную электронику и искусственный интеллект. В институте подчёркивают, что продемонстрированная на тестовых структурах технологическая цепочка готова к переносу на реальные заказные проекты.
В более широком контексте появление QMI отражает отраслевой сдвиг от гонки за уменьшением проектных норм в сторону совершенствования методов компоновки. Когда дальнейшее масштабирование транзисторов упирается в физические и экономические ограничения, возможность гибко комбинировать проверенные узлы и специализированные блоки становится самостоятельным источником роста характеристик. Европейские исследовательские центры, обладая многолетним опытом в области корпусирования, рассчитывают занять в этой нише заметное место. APECS с её ставкой на открытую инфраструктуру и доступ для малых и средних предприятий выглядит как один из инструментов достижения такой цели.
