شرح تقنية TSV وفائدة فيا من خلال السيليكون

 

في هذه المقالة سوف نتحدث عن تقنية تسمى TSV ، والتي تستخدم للتواصل بين الرقائق ، مهما كانت.

من ذكريات في صناعة الذواكر HBM ، من خلال رقائق NAND ثلاثية الأبعاد ، هناك العديد من الرقائق في سوق الأجهزة التي تم إنشاؤها باستخدام ما يسمى TSV ، وهي اختصارات تعني "من خلال Silicon Vias" وتترجم إلى عبر السيليكون من خلال حقيقة أنها تعبر عموديًا الرقائق وتسمح بالتواصل الرأسي بينها. في هذه المقالة سوف نخبرك ما هي وكيف تعمل وما هي الغرض منها.

في عالم الأجهزة ، غالبًا ما يتم الحديث عنها من حيث ما يتعلق بمعدلات السرعة ، سواء كان ذلك عرض النطاق الترددي للذاكرة ، أو دورات ساعة المعالج ، أو عدد المرات التي يقوم فيها المعالج بنوع من العمليات الحسابية في الثانية ، إلخ. ، ولكن نادرًا ما نسأل أنفسنا كيف تتواصل الرقائق مع بعضها البعض وما إذا كان هذا مهمًا.

 

ما هي مسارات السيليكون أو TSV؟

إذا نظرنا إلى معظم اللوحات الأم ، يمكننا أن نرى شيئين: الأول هو أن معظم الاتصالات بين الشرائح أفقية ، مما يعني أن المسارات على اللوحة او PCB التي ترسل الإشارة بين الشرائح تتواصل أفقيًا.

ثم لدينا وحدات المعالجة المركزية (CPU) ، والتي يتم وضعها فوق أداة تداخل نسميها مأخذ التوصيل والتي يتم فيها توصيل المعالجات رأسياً عليها.

لكن بشكل عام 99٪ من الوقت نلاحظ أنه لا توجد عادة شرائح متصلة ببعضها البعض عموديًا ، وعلى الرغم من حقيقة أن تصميم الرقائق والمعالجات يتطور في هذا الاتجاه وهناك بالفعل بعض الأمثلة من هذا النوع في السوق . ولكن كيف نفعل ذلك لربط شريحتين أو أكثر عموديًا؟

حسنًا ، يتم هذا تحديدًا باستخدام ما يسمى بالمسارات عبر السيليكون ، والتي تعبر عموديًا الرقائق أو الطبقات المختلفة من نفس الشريحة التي تتكون منها المكدس ، وهذا هو سبب تسميتها "عبر" السيليكون لأنها تمر عبرها حرفياً.

 

تطبيقات ومزايا استخدام TSV's

احد تطبيقات TSV هو أنه يسمح بفصل المعالجات المعقدة المكونة من أجزاء مختلفة على عدة شرائح مختلفة مع ميزة إضافية تتمثل في أن الاتصال الرأسي يسمح بعدد أكبر من الاتصالات ، مما يساعد على تحقيق نطاقات أعلى دون الحاجة إلى تردد مرتفع يزيد من استهلاك الطاقة أثناء نقل البيانات.

على سبيل المثال ، سنرى في المستقبل وحدات المعالجة المركزية ووحدات معالجة الرسومات حيث ستكون ذاكرة التخزين المؤقت من المستوى L3 cache memory الأخير خارج الشريحة ، مع نفس النطاق الترددي ولكن بسعة تخزين أكبر عدة مرات ، مما سيزيد من الأداء بشكل كبير. لدينا أيضًا مثال إنتل Foveros الذي يستخدم TSV لتوصيل و جزئين من Lakefield SoC حتى شركة AMD اصدرت نفس التقنية تحتة مسمى 3D CHIPLET TECHNOLOGY، وشريحة الكمبيوتر مع Base Die حيث يوجد نظام الإدخال / الإخراج

يرجع سبب تقسيم المعالج إلى أجزاء مختلفة إلى حقيقة أنه كلما زادت الشريحة زادت فرص حدوث خطأ في الدوائر الكهربائية أكثر فأكثر ، وبالتالي فإن عدد الرقائق الجيدة التي يمكن استخدامها دون أعطال تكون أقل وتلك الذين يقومون بعمل جيد عليهم أن يدفعوا تكلفة أولئك الذين فشلوا ؛ هذا يعني أن تقليل حجم الرقائق نظريًا يقلل التكلفة الإجمالية ، على الرغم من أننا سنرى لاحقًا أن هذا ليس هو الحال تمامًا.

التطبيق الثاني يتعلق بالمساحة المشغولة ؛ حقيقة القدرة على تكديس عدة شرائح رأسية تقلل بشكل كبير من المساحة التي تشغلها ، نظرًا لأنها ليست منتشرة حول اللوحة ، وأشهر مثال على ذلك هو ذاكرة HBM المستخدمة ك VRAM لبعض معالجات الرسومات ، ولكن لدينا أمثلة أخرى مثل سامسونج ذاكرة V-NAND الخاصة بها ، والتي تجمع عدة شرائح ذاكرة NAND Flash فوق بعضها البعض

الخيارات الأخرى الأقل شهرة هي الجمع بين المنطق والذاكرة ، حيث يتم وضع الذاكرة أعلى المعالج ، وأفضل مثال معروف هو ذاكرة الإدخال / الإخراج العريضة ، وهي نوع من الذاكرة ظهرت في الهواتف الذكية منذ بضع سنوات وتتألف من ذاكرة أعلى SoC مترابطة عن طريق السيليكون

 

لماذا يعتبر اعتماد مسارات السيليكون بطيئًا جدًا؟

تعاني TSV من العديد من المشاكل المتأصلة ، مما يعني أنه على الرغم من كونها تقنية واعدة جدًا في المستقبل، إلا أنها لم تنطلق تمامًا وظلت وسيلة لتصنيع الرقائق للأسواق الصغيرة جدًا ولكن بهوامش ربح عالية.

مشكلتهم الأولى هي أنها تقنية مكلفة للغاية لتنفيذها وتتطلب تغييرات عميقة في خطوط التصنيع للعديد من الشركات ، التي كانت تصنع الرقائق بدون TSV لسنوات ، وفي العديد من التطبيقات ، أثبتت عملية التصنيع التقليدية أنها جيدة بما فيه الكفاية. .

المشكلة الثانية هي أنه إذا فشل جزء مما يتكون منه الهيكل الرأسي تمامًا ، فيجب التخلص من الهيكل بأكمله ، وهذا يجعل الأنظمة مترابطة عبر TSV أكثر تكلفة في التصنيع. مثال ذاكرة HBM مهم في هذا ، تكلفتها عالية جدًا بحيث لا تكون قابلة للتطبيق كذاكرة للسوق الاستهلاكية.

المشكلة الثالثة هي الاختناق الحراري ، حيث تصل الرقائق إلى سرعات تردد العالية التي تصل إليها في ظل ظروف درجة حرارة معينة ، والتي تتأثر إذا كانت هناك شريحة أخرى قريبة تنبعث منها الحرارة أيضًا. قد يكون لدينا ، على سبيل المثال ، معالجان يصل كل منهما بشكل منفصل إلى 1 جيجاهرتز ولكنهما معًا في وضع عمودي في هيكل TSV يصل كل منهما إلى 0.8 جيجاهرتز فقط بسبب مشاكل درجة الحرارة.

النقطة الثالثة هي النقطة التي تثير قلق المهندسين أكثر من أي وقت مضى ، ويتم تطوير آليات التبريد للحفاظ على الرقائق التي يتكون منها المكدس باردة قدر الإمكان ، لتجنب مشاكل الاختناق الحراري.

ادري ان المقال طويل وصعب الفهم شوي للصعب المصطلحات التقنية المعقدة ولكن نتمنى يكون مفيد بالمعلومات الدقيقة