Будущее процессорных упаковок

Часто случается, что важным вещам не уделяется должное внимание. Взять, к примеру, статьи о процессорах. Там вы узнаете о кристалле, об архитектуре процессора, познакомитесь с кэшем, с интерфейсом шины, с тактовой частотой… Список можно продолжать долго. Когда же дело касается факторов, влияющих на производительность и надежность процессоров, разговор идет в основном о технологическом процессе. Но и в этом случае мы читаем лишь о том, какого размера будет кристалл, каким ожидается выход годных чипов и каким будет размер элемента. При этом мы упускаем из виду один из самых важных моментов, ключ к стабильности и производительности чипа, фактор, влияющий на возможность разгона.
Процессор можно условно разделить на две основные части: кристалл (собственно, сам процессор) и упаковку, которая соединяет это ядро процессора со внешним миром. Именно от упаковки процессора зависит, насколько высокой будет тактовая частота процессора, равно как и частота FSB. Вы спросите: как с помощью упаковки можно управлять тактовой частотой? Прежде чем ответить на этот вопрос, давайте пополним наши знания об упаковке процессора.

20080701_amd23.jpg

Анатомия упаковки
Рассмотрим современный процессор — например, AMD Duron, работающий на тактовой частоте 1 ГГц (на фото вверху).
В центре чипа находится то, что обычно называется «ядром». Это тот кусок кремния, в котором и происходят все вычисления, запросы на загрузку и хранение, ветвления.
В нашем случае кремний связан с остальной частью чипа (обычно обозначаемой термином «упаковка») по технологии flip-chip — «перевернутое ядро». Технология получила такое название потому, что видимая часть ядра является его дном — ядро процессора перевернуто вверх тормашками, чтобы обеспечить прямой контакт с радиатором кулера для лучшей теплоотдачи — важной детали с учетом того количество тепла, которое выделяет современный процессор.

20080701_fcpgavsbbul23.jpg

С невидимой стороны находится сам «интерфейс» — соединение кристалла и упаковки. Представьте: на крошечной пластине кремния нашего Duron'а находится 25,18 миллионов транзисторов. Часть из них надо соединить с упаковкой, где находятся ножки процессора — для связи с внешним миром. Соединение ядра процессора с его упаковкой в нашем случае выполнено с помощью столбиковых выводов («Solder Bumps»). Часто их просто называют выводами (bumps). В нашем конкретном случае таких выводов на нижней части кремния — около трех тысяч (для сравнения: в Pentium 4 таких выводов около пяти тысяч, а в Intel Itanium — около семи с половиной). Конечно же, размер выводов крайне мал, а их расположение точно вымерено. С увеличением сложности самого процессора сложнее становится и размещать эти выводы. Запомните этот факт, впоследствии мы еще вернемся к нему.
Так как вся работа процессора выполняется на кристалле, здесь рассеивается довольно большое количество тепла. Если во время работы процессора прикоснуться к его упаковке, она не покажется вам слишком горячей, но если бы вы задели ядро — вы бы почувствовали разницу. Такая разность температур становится причиной некоторых проблем. Как вы знаете, в зависимости от температуры, тела имеют обыкновение сжиматься и расширяться. Поэтому, если ядро работает при температуре 50°, а упаковка нагрета лишь до 27°, скорее всего возникнут проблемы — ядро будет расширяться с одной скоростью, а упаковка — с другой. И если не принять это во внимание, что-нибудь может просто-напросто треснуть.
Настал черед поговорить о голубом или красном веществе, окружающем ядро. Можно заметить, что оно закрывает ядро со всех сторон, и даже «размазано» несколько дальше. Это вещество называется недоливком (Underfill), предназначено для уменьшения давления и находится между ядром и упаковкой, а также вокруг основания соединения ядра с упаковкой — для компенсации разницы температур. Так как этот недоливок играет определенную роль при соединении ядра с упаковкой, проблемы с этим веществом могут стать причиной дефекта процессора. Это как раз тот случай, когда на качество ядра жаловаться не приходится, но качество самого процессора оказывается удручающим.
И наконец, мы добрались до материала, из которого выполнена сама упаковка или подложка. В нашем случае, упаковка выполнена из керамики, но в процессорах Intel начиная с P54C (последние версии Pentium Classic) упаковка делается из органических веществ — от этого она становится легче и, кроме того, у нее появляются и другие преимущества. Но об этом позднее.
Связь с внешним миром
Итак, выше мы выделили основной источник проблем в современных упаковках — ограничение на количество столбиковых выводов, используемых для соединения ядра и упаковки. Пока эта проблема стоит не так остро, но через несколько лет она может доставить достаточно хлопот.
Как уже говорилось, данные попадают с ядра процессора на подложку через столбиковые выводы. Что с ними происходит дальше? Дальнейший путь лежит через сотни контактов внизу процессора. Но прежде чем попасть на эти выводы, сигнал должен пройти через саму упаковку. Так как процессоры усложняются, а технологический процесс совершенствуется, то количество кремния уменьшается, но возрастает сложность и стоимость компоновки проводников на подложке, от ядра к ножкам процессора.
Следующее ограничение — в сущности самой упаковки: ядро находится сверху, контакты — снизу. Это значит, что прежде чем сигнал попадет из ядра на контакты, он должен как-то пройти через саму упаковку. Если бы мы могли видеть сквозь подложку, то в увеличенном виде пространство, которое должен преодолеть сигнал, выглядело бы как слоистая диаграмма.
На вершине подложки находятся крепежные площадки, которые соединяют столбиковые выводы с кристаллом. Место в нижней части подложки предназначено для ножек, центральная же часть этого бутерброда представляет собой то, что мы называем сквозными микро-перемычками (micro-vias) или просто перемычками. Эти перемычки буквально соединяют верхнюю и нижнюю части упаковки. В современных процессорах насчитывается до 10 000 таких микро-перемычек, а пройдет ещё несколько лет и их станет в 3-5 раз больше.

К чему весь этот разговор?
Из всего сказанного следует логичный вывод — для будущих процессоров нужны новые технологии упаковок. Процессоры будущего станут ещё сложнее, потребуются более эффективные методы соединения ядра с подложкой, размеры кристаллов будут уменьшаться, при этом компоновка проводников лишь усложнится. А тем временем будет увеличиваться тактовая частота процессоров, а значит, будут изменяться и требования к точности самой упаковки.
С увеличением тактовой частоты, от производителей чипов можно ожидать развития упаковочной технологии. За примером далеко ходить не нужно: впервые процессор AMD — Athlon XP — использует подложку из органического вещества. Довольно долгое время AMD изготавливала подложки из керамики, тогда как её конкуренты в лице Intel уже давно использовали для этих целей органические вещества. Переход с керамики был обусловлен необходимостью увеличения таковой частоты процессоров линейки Athlon.
Кроме того, растет и частота системной шины. Например, частота шины ядра Intel Northwood (Pentium 4 по технологии 0,13 мкм) составит 533 МГц, частота шины Intel Prescott — 800 МГц, а объявленная частота шины Intel Tejas — 1,2 ГГц. AMD тоже не дремлет: говорят, частота системной шины их процессоров Hammer составит 800 МГц. Поэтому нисколько не удивительно было бы то, что одной из причин введения упаковки из органических веществ является стремление AMD улучшить работоспособность и стабильность процессоров Hammer.

20080701_p4vsbbul_223.jpg

Экономика должна быть экономной
Все вы наверняка не раз слышали о том, что «компьютеры работают лишь с ноликами и единичками». На самом деле, процессор выполняет массу работы — он анализирует напряжение на различных комбинациях транзисторов и определяет нолик или единичку в зависимости от значения этого напряжения (высокое оно или низкое).
Теперь давайте посмотрим, что случилось с напряжением за последнее время. Несколько лет назад, напряжение ядра процессоров составляло 5 В, в современных же процессорах оно опустилось ниже 1,75 В. Из-за такого постоянного снижения напряжения разница между положениями «есть сигнал» и «нет сигнала» становиться очень незначительной, что и позволяет различного рода помехам из ноликов делать правдоподобные единички. Все это приводит к нестабильности и к сбоям в работе.
Выход из этой ситуации достаточно прост: добавить конденсаторы, чтобы отфильтровать шумы. Единственная проблема с таким «простым» решением в том, что располагаться эти конденсаторы должны достаточно близко к ядру, и зависит это расстояние, как вы уже наверно догадались, от упаковки. Именно поэтому мы наблюдаем конденсаторы — они находятся с нижней стороны процессора Pentium 4 и Athlon XP, прямо под ядром.

BBUL — будущее упаковочной технологии
Хотя AMD в последнее время не раз показывала свое преимущество в производительности над Intel, превзойти последнюю по части производственной базы ей не удалось. В частности, у Intel существует специальное подразделение, занимающееся исключительно упаковкой для процессоров будущего. Intel не раз заявляла о миллиарде транзисторов в чипах с частотой за 10 ГГц, поэтому неудивительно, что около тысячи человек занимается лишь технологиями упаковки. Подразделение Intel по разработке сборочных технологий (Assembly Technology Development) насчитывает 900 человек. Большинство из них трудится в Аризоне, и именно здесь рождаются новости упаковочных технологий.
Хотя новая технология безударно наращиваемого слоя (Bumpless Build-Up Layer, BBUL) от Intel вряд ли будет внедрена в производство в ближайшие 5-6 лет, несомненно, будущее именно за ней. Красота этого решения в том, что кристалл будет интегрирован в подложку. При производстве процессоров по технологии BBUL сначала будет создан первый слой упаковки, и одновременно в эту упаковку будет запечатана уже проверенная кремниевая пластина. (На фото внизу: справа — Pentium 4 PGA, слева — прототип BBUL-чипа). Вспомните о проблемах с плотностью расположения столбиковых выводов. В новой технологии подобных проблем не возникнет — этих выводов просто не станет. Кремниевая пластина будет заключена непосредственно внутри корпуса. Ещё одно достоинство такого решения: так как ядро больше не выступает за положку, уменьшается вероятность его порчи вследствие неаккуратной установки кулера.
Кроме того, в результате такого решения становится возможным размещать конденсаторы на дне процессора ближе к ядру, отчего повышается эффективность доставки энергии (снижается потребляемая мощность). Становиться тоньше и сама упаковка, причем, судя по предварительным данным, намного тоньше. Отметим, что прототип BBUL-чипа использовал ядро, сравнимое по размеру с Intel Northwood 0,13 мкм и выводов не имел. Вероятнее всего, у коммерческих образцов ножки появятся.
Кроме того, с подобными упаковками нетрудно создавать многоядерные процессоры. Одна из главных проблем при создании такого рода процессоров в настоящее время заключается в том, что тестировать его необходимо уже в собранном виде. И если при тестировании выявляется брак одного из ядер, приходится отбраковывать весь процессор (похоже, что AMD со своим SledgeHammer скоро столкнется с этой проблемой). Новая же технология позволяет встраивать ядра на отдельные подложки, и затем соединять их высокоскоростной внутренней шиной. При этом достигается высокая производительность и появляется возможность индивидуальной отбраковки ядер перед их сборкой в один процессор.

Итог
Определенно, новая технология Intel BBUL — это большой шаг вперед в упаковочной технологии. Она еще поработает на благо всех производителей, так как позволяет упаковывать чипсеты, встраивать высокопроизводительные графические ядра в северные мосты и даже обеспечивать производительный кэш L3, встроенный в упаковку многоядерных процессоров.

Оригинал: http://www.megabyte-web.ru/goto/ChZEQVwWHxYVFkhUCFgMVUBVBlkbVFdVF1FAFh5EXVwVBl9SSFFEDA5eDwhXDFYD/


Рекомендуем почитать: