Intel werkt aan glazen chipsubstraten

Grotere en complexere chips mogelijk

Chipsubstraten van glas

Intel is van plan om later dit decennium glazen substraten in te zetten voor zijn grootste en geavanceerdste chips. Dat moet het mogelijk maken om grotere en complexere chips te bouwen en sneller met de chips te communiceren.

Intel heeft vooralsnog vier opties voor packaging, ofwel de manier waarop een silicium die met de buitenwereld verbonden wordt. De bekendste daarvan zijn de fcbga- en fclga-chips. Vrijwel alle consumentenprocessors maken gebruik van die techniek, waarbij de daadwerkelijke silicium dies verbonden zijn met een substraat van verlijmde glasvezellaagjes. Dat substraat wordt door Intel een organisch substraat genoemd en lijkt sterk op een stukje printplaat. Laptopprocessors zitten meestal op een fcbga-substraat en socketed desktopprocessors op een fclga-substraat, kort voor flip-chip ball-grid array en flip-chip land grid array. De fcbga-chips worden direct op een moederbord gesoldeerd en de fclga-chips zijn socketed.

Voor geavanceerdere chips, bijvoorbeeld als verscheidene chiplets met elkaar gecombineerd moeten worden, heeft Intel een paar jaar geleden de EMIB-package ontwikkeld, waarbij kleine stukjes organisch substraat worden vervangen door stukjes silicium, waarin veel geavanceerdere verbindingen als through-silicon via's en verbindingen met hogere dichtheid gerealiseerd kunnen worden. Foveros-packaging is een soort verdere ontwikkeling daarvan, waarbij krachtige chiplets op een simpel silicium substraat worden geplaatst dat eenvoudigere taken uitvoert. Het geheel wordt weer op een package gezet.

Organisch substraat versus glas

De organische substraten zijn beperkt in hun vermogen om chiplets of dies op hoge snelheid met elkaar te verbinden. De 'printplaatjes' kunnen niet oneindig complex gemaakt worden en de dichtheid van het aantal verbindingen, en daarmee hun aantal en bandbreedte, is beperkt. Ook is de totale footprint gelimiteerd tot 120 bij 120mm. Ook EMIB is wat beperkt wat afmetingen betreft. Momenteel zijn chips van 4,5 maal de reticleafmetingen mogelijk, met een upgrade van 6 maal die afmetingen in het verschiet. Wel zijn de afmetingen van de verbindingsaansluitingen, de zogeheten bumps, veel kleiner dan bij organische substraten. Die zijn nog 55μm groot, maar schalen naar 36μm, terwijl ze bij organische substraten niet veel kleiner dan 100μm worden. Foveros heeft nog veel kleinere contactbumps van 36 tot 25μm, terwijl Foveros Direct zelfs kleiner dan 10μm schaalt.

Met de ontwikkeling van glazen substraten wil Intel de voordelen van alle substraten combineren en grotere chips maken met hogesnelheidinterconnects. Het wil zelfs grotere chips maken met optische communicatie naar buiten, door middel van wave guides die optical computing mogelijk maken. De glazen interconnects moeten bovendien betere mechanische en optische eigenschappen hebben en zouden goedkoper te implementeren én zuiniger zijn.

Een van de eigenschappen van glas is dat de uitzetcoëfficient beïnvloed kan worden, waardoor het net zo hard uitzet of krimpt als de silicium dies waarmee het verbonden wordt. De heel kleine onderlinge verbindingen zouden verbroken worden als de die en het substraat verschillend op warmte reageren. Ook kunnen veel meer gaten, die analoog aan through silicon via's nu through glass via's of tgv's genoemd worden, gerealiseerd worden dan in organische substraten. Intel spreekt van een tien keer zo hoge tgv-dichtheid als bij organische substraten, al is dat verschil met siliciumopties als EMIB of Foveros veel kleiner.

Glas heeft ook isolerende eigenschappen die energie- en signaalverlies beperken, waardoor hogere communicatiesnelheden mogelijk zijn. Volgens Intel is 480Gbit/s mogelijk door de tgv's. Die tgv's zouden een pitch van minder dan 100μm kunnen krijgen en features als elektronische verbindingen in het glas zouden een pitch van slechts 5μm en een lijnbreedte van 5μm kunnen krijgen. Ter vergelijking: in een organisch substraat is dat ongeveer 10μm. Nog een belangrijk voordeel van heel veel en heel kleine bumps is de mogelijkheid het substraat wat functies van de chip over te laten nemen. Een heel complex aspect van chipontwerp is de powerdistributionlaag, de metaallagen die alle transistors van stroom voorzien. Met glazen substraten zou een deel van die metaallagen weggelaten kunnen worden en naar het substraat verplaatst kunnen worden.

Kortom, Intel voorziet dat de overstap naar glas als substraat voordelen oplevert voor de scaling van interne bedrading en tgv's, silicium dies kunnen met meer en fijnere bumps verbonden worden, communicatie met hoge snelheid wordt mogelijk en de stroomtoevoer wordt verbeterd. Glazen packages kunnen tot acht keer de reticleafmetingen of tot 240 bij 240mm geschaald worden, wat voor monsterchips in datacentra, en dan met name voor AI-chips, een gewenste eigenschap is.

Het team dat ook EMIB heeft ontwikkeld, werkt al pakweg tien jaar aan glazen substraten. Inmiddels is een werkende testchip opgeleverd met tgv's met een doorsnede van 75μm en drie metaallagen aan weerszijden van het glas. Intel heeft een onderzoekscentrum en fabricagelijn in Arizona staan, waarin inmiddels een miljard dollar is geïnvesteerd en Intel werkt samen met leveranciers en partners om een compleet ecosysteem op te zetten. Het bedrijf verwacht later dit decennium voor heel grote chips voor AI- en datacentratoepassingen op glas over te stappen. Voor de consumentenproducten blijven organische substraten zoals we die nu in onze pc of laptop hebben, gewoon gebruikt worden.

Reacties (54)

[aaradorn]

Als grotere en complexere chips een realiteit worden krijgen we dan meer taak specifieke chips? Zoals we nu al AI chips hebben?

Als in, 2 cores specifiek voor windows draaiende te houden, 2 cores voor achtergrond processen en 4 cores voor het "hoofd" programma?

[wild_dog]

Dat heb je met intel en hun E-cores al wel een beetje. Als de scheduler slim genoeg is om te weten welke processen niet zo tijdsgebonden zijn kunnen die makkelijk naar de E-core toe.

Ik weet niet of het zo slim kan zijn dat verschillende cores verschillende instructie sets hebben, en dat E-cores of equivalent dan een versimpelde instructie set hebben en alleen processen draaien die op die simpele instructies kunnen draaien. Zou wel interesant kunnen zijn als toekomstige optimalisatie.

Of mischien zo simpel als zekere functionaliteit zoals hardware acceleratie voor H.265 decoding, dat de die dan vlak naast sommige cores zit, en bijandere cores er een interconnect tussen zit. Dus dat elke core het wel KAN gebruiken, maar langzaamer, en dat het proces die het nodig heeft dan op de dichtbijzijnde core voor de accelerator komt.

[Reactie gewijzigd door wild_dog op 23 juli 2024 01:44]

[latka]

De eerste generatie E/P core had dat tot Intel het snel uitgezet had met een bios aanpassing (AVX-512 werkte op de p-cores). Maar dat heeft men dus uitgezet want dat is iets wat Windows niet snapt.

[sfc1971]

Maar bleek niet bij AMD dat de 7800X3D sneller in games was dan de 7950X3D, bij de eerste kunnen alle cores bij de grote cache en zijn er geen software truuks nodig. Bij de tweede kan een deel van de cores niet bij de cache dus moet taken juist verdeeld worden zodat de op de goede core draaien.

Dat doen is AMD in ieder geval nog niet gelukt anders zou een lager geklokte CPU niet sneller zijn in spellen.

[Blokmeister]

Dit is iets wat je ook al ziet met chiplets. Voor resolutie en yield is het heel fijn als je je cachegeheugen niet tegelijkertijd hoeft te printen met de rest van je chip/logica. Dan kan je elke apart optimaliseren en later naast elkaar op de chip zetten. Dat is erg goed voor de yield, zeker ook omdat je chiplets kleiner zijn, en één defect alleen zorgt voor het falen van één memory die, en niet direct je hele chip.

[rjmno1]

klopt maar ze moeten met iets nieuws komen het productieprocces zoals wij dat kennen wat dus nu van toepassing is is bijna in zijn geheel helemaal uitgemolken en daarom komen ze met dit op de proppen.
Maar glas had ik niet verwacht en dat terwijl ze al wat gebouwd hebben om deze nieuwe technologie uit te proberen.Wie weet hoe snel deze processoren wel niet kunnen worden.Misschien in de toekomst ook glas op het moederbord wie zal het weten?Een nieuwe weg inslaan intel is er al mee bezig want binnenkort is iedereen uigescheten wat oudere technologie betrefd.

[Blokmeister]

Verwar packaging niet met het productieproces van chips. Intel beschrijft hier een manier van chips verpakking, niet hoe die chips gemaakt worden. De chips zelf worden gewoon op het oude proces gebakken: fotolithografie op silicium (in veruit de meeste gevallen). Hoe die chips communiceren met de buitenwereld gebeurt als het aan Intel ligt binnenkort via een glazen substraat.

[Moortu]

ik verwacht dat de toekomst eerder ligt in photonic chips.
elektriciteit heeft zijn limieten qua snelheid, licht gaat net iets sneller

[aflyingtomato]

Vergeet de analoge niet. (structuur van een brein)

[DirtyBird]

Hoe verloopt de communicatie zelf dan? Glas is poreus, dus daar wil je geen signaal doorheen jagen lijkt me.

[Blokmeister]

Zoals ik het begrijp maak je through-glass vias, dus gaatjes in het glas die je vult met een metaal als koper. Je maakt dus kleine koperdraadjes door het glas, een beetje vergelijkbaar met hoe het in de chip zelf gaat (maar dan op hele andere schaal).

Edit: er wordt hier ook gerept over optische communicatie. Ik denk dat je daarvoor ook speciale kanalen moet maken. Je wil namelijk niet dat die signalen gaan mengen. Zo kan ik me voorstellen dat je kleine waveguides of glasvezelkabeltjes door je substraat moet bouwen, wellicht op dezelfde manier als dat gaat met de koperkabels. Maar hier heb ik niet zoveel verstand van.

[Reactie gewijzigd door Blokmeister op 23 juli 2024 01:44]

[dasiro]

niet per sé, (laser)licht gaat zich rechtlijnig voortbewegen door het substraat, dan is het een kwestie van de lasers goed te richten en dan zou je ze zelfs door elkaar kunnen laten lopen om een grotere chip te bouwen die ook nog eens makkelijker te koelen zal zijn (geen idee of de stroom om de lasers te poweren groter is dan die van electrische communicatie), omdat de afstand tussen componenten dan minder relevant is (gok ik).

[rjmno1]

Ik zou het niet weten hoe warm word een laser licht?

[dasiro]

niet het licht zelf, maar het circuit dat de laser aanstuurt. In een ideale situatie zou alle elektrische energie die aan de ene kant wordt gebruikt om de straal op te wekken aan de andere kant terug worden omgezet in een elektrisch signaal

[Blokmeister]

Dat is niet direct waar. De rechtlijnigheid van een laser is omgekeerd evenredig met de grootte van de condenserlens. Een laserdiode zonder lenselement heeft al snel een spreidingshoek van 30 graden, afhankelijk van de dikte van je diode.

Wil je het zonder waveguides/fibers doen, dan moet je condenserlensen gebruiken die toch zeker tientallen tot honderden keren groter zijn dan je golflengte, dus richting de 50 micron of meer, met de afstand tussen je diode en je lens van dezelfde orde grootte. Vandaar dat waveguides en andere optische technieken mij veel handiger lijken.

[MSalters]

Je zou die lens natuurlijk in het oppervlak van je glazen substraat kunnen etsen. Dat is een simpele oppervlakte-behandeling. Een waveguide in het substraat maken is veel complexer.

[Blokmeister]

Dat zou kunnen, maar dan moet je je etsdiepte wel lokaal onder controle hebben.

[MSalters]

Laat etsen nu een proces zijn waar chipmakers al decennia ervaring mee hebben

[Blokmeister]

Absoluut, maar je etsdiepte op kleine schaal variëren is wel een vak apart. Dat is niet nodig voor traditioneel chipbakken, waarmee het toch een exotische methode is, als het überhaupt al mogelijk is.

[Biodiv]

Zo kan ik me voorstellen dat je kleine waveguides of glasvezelkabeltjes door je substraat moet bouwen, wellicht op dezelfde manier als dat gaat met de koperkabels.

Dat lijkt me niet, tenzij je transistoren e.d. kunt bouwen op dergelijke schaal die bovendien op licht werken (met anders miniscule lasertjes en ontvangers waar nodig om van koper naar glas te kunnen).

[Reactie gewijzigd door Biodiv op 23 juli 2024 01:44]

[Blokmeister]

Het wil zelfs grotere chips maken met optische communicatie naar buiten, door middel van wave guides die optical computing mogelijk maken.

Dit staat er in het artikel. Neemt niet weg dat je gelijk hebt over het omvormen van elektrische signalen naar optische signalen, dus fotonica/optronica.

[svideo]

Vroeger zaaide je gewoon de case open van een transistor om er een licht sensor van te maken. Ik denk fotonen prima Gates kunnen open sturen. Maar de snelheid die men nu gewent is zal veel meer eisen dan een ijzeraag of vijl.

[Blokmeister]

Wat je zegt klopt. Maar vergeet niet dat je voor betrouwbaar gebruik echt controle moet hebben over wanneer een signaal nou een 1 is of een 0. Als dat per transistor eens per miljard keer fout gaat, dan gaat het elke klokcyclus mis. Eens per triljoen, en dan gaat het eens per seconde mis. Je moet dus echt die controle hebben, wat meer vergt dan het openzagen van je front-end of line.

[Zer0]

Aangezien het hele internet zo ongeveer over glas gaat zal daar best wel een oplossing voor zijn

[narimantos]

Voor de consumentenproducten blijven organische substraten zoals we die nu in onze pc of laptop hebben, gewoon gebruikt worden

Maar als ik het goed begrijp ontkomen wij(normale consumenten) er in de verre verre toekomst niet aan?

Op een gegeven moment kunnen we niet meer kleiner bouwen dus zullen we dat kleinste wat we hebben, aan elkaar moeten verbinden? Soort van distributed embedded chips?

[Reactie gewijzigd door narimantos op 23 juli 2024 01:44]

[Blokmeister]

Dat doen we nu ook al met chiplets. Met chiplets kan je je proces optimaliseren voor één ding, bijvoorbeeld geheugen of logica. Omdat je beter kan optimaliseren, is je yield hoger en de kosten lager. Zelfs zonder optimaliseren zijn chiplets beter in yield, gewoonweg omdat chiplets kleiner zijn. Als er dan één defect is, hoef je alleen die chiplet weg te gooien, en niet je hele CPU. Dat betekent dat je meer defecten per wafer kan accepteren voor dezelfde yield, en daarmee meer de grenzen van je proces op kan zoeken door nog kleiner te schalen.

[kdekker]

IBM heeft al ooit met de Power processor (ik dacht Power6, al jaren geleden) CPUs in keramiek gehad. Zeg maar tegels. Dit omdat met 5+Ghz de temperaturen zo hoog waren dat waarschijnlijk klassiek kunststof zou smelten. Volgens mij hebben ze dat nu al niet meer. Want met materiaal dat beter isoleert, zal waarschijnlijk de afvoer van warmte ook lastiger worden. Ik weet niet in hoeverre glas zich verhoudt tot de materialen die Intel nu gebruikt?

[rjmno1]

wat is het smeltpunt van glas?ze moeten er boven blijven.

[Blokmeister]

Boven het smeltpunt van glas? Dat lijkt me sterk. Verder is het smeltpunt van glas ver boven de temperatuur waarbij silicium chips het begeven.

[sympa]

Ik mis wel als voordeel: door dat glas kan je een mooie processor met RGB-verlichting maken

[Tourmaline]

Glas kan ook beter tegen hitte.

[atomos]

Glas kan ook beter tegen hitte.

Nou dat is de vraag, glas is geen vast materiaal maar dik vloeibaar.
Hoe hoger de temperatuur hoe vloeibaarder het glas wordt.
Hoe ze de temperatuur in de hand willen houden is volgens mij een uitdaging die niet eenvoudig is.
vooral als je verschillende lagen gaat gebruiken op het substraat.

[_Pussycat_]

Glas is niet vloeibaar. Ook al wordt die onzin 1000x herhaald - glas is niet vloeibaar.

Edit: ik weet het even niet en zoek het nog eens uit. Op relevante schaal is het in elk geval niet vloeibaar maar minder zwart-wit dan ik dacht.

[Reactie gewijzigd door _Pussycat_ op 23 juli 2024 01:44]

[6h5c]

https://www.nemokennislin...ermomt-als-een-vloeistof/

[_Pussycat_]

.... dus toch???
Wauw. Interessant, dat moet ik nog eens uitzoeken. Ik kende altijd het foute verhaal dat oude kerkramen onder dikker zijn maar nu wordt het verwarrend
Ik zal mijn stelling boven duidelijk corrigeren.

[Tourmaline]

"Glazen flessen. Strikt genomen vloeit glas, maar dat doet het zó traag dat het pas waarneembaar is op tijdschalen die in de buurt komen van de totale leeftijd van het heelal."

Verder, glas smelt pas bij temepraturen ver boven de 100 graden. Glas is ook een goede isolator.

[dl658]

Kunnen we ook kiezen voor getinte versies?

[Blokmeister]

Ik kan me best voorstellen dat het glas zo wordt geprepareerd dat het dezelfde thermische eigenschappen heeft als het silicium erboven. Wellicht is dat met bepaalde toevoegingen die het glas kleur geven.

[Tourmaline]

In glas zit ook zand, als in silicium?! In de vorm van glas kunnen ze dus meer met het silicium dan in pure vorm schijnbaar.

[Blokmeister]

Het is andersom. Glas is siliciumdioxide, net als zand (uitzonderingen daargelaten). Glas heeft hele andere elektrische en optische eigenschappen dan puur silicium. Met silicium kan je ongelofelijk veel, maar bepaalde dingen niet die je met glas wel kan (en vice-versa). Ik denk dat glas goede eigenschappen heeft voor packaging terwijl je het absoluut niet wil gebruiken voor de chips zelf. Het kan ook zijn dat puur silicium zelfs nog beter is voor packaging, maar dat het veel duurder is dan glas.

[rjmno1]

glas in lood.

[-=bas=-]

De lamp van mijn oma was zijn tijd ver vooruit.

[Vulcanic]

Nieuw: Hat glazen huis, voor AI.

[Genosha]

Ik vraag mij altijd af in hoeverre ontwikkeling wordt tegengehouden door het vasthouden van ondersteuning van instructiesets zoals MMX en andere 'legacy' 32-bit. Als deze sets niet meer op de CPU zitten gebakken, wat gaat er dan verloren en wat is er te winnen?

[MSalters]

Niet. Al decennia is de x86 ISA iets externs. De instructie-decoder vertaalt het naar uops die de CPU core intern verwerkt. MMX kan net zoals SSE via de AVX hardware. Die vertaling hoeft niet snel te zijn, want code die MMX gebruikt is geschreven voor processoren < 1 Ghz.

[lezzmeister]

Ruimte op de die, energiebesparing, minder kosten (zal we winst zijn en niet korting voor ons). Hoeveel dat is is niet te zeggen, ik vermoed geen wereld van verschil.

Er zijn instructies die (bijna) niet meer gebruikt worden maar blijven want compatibel. Intel heeft tijden geleden wel gekeken naar mogelijkheden om die eruit te jassen. Nog niets van gezien maar het kan nog komen. Of x-86S is resultaat van dat gedoe dat kan ook.

[Reactie gewijzigd door lezzmeister op 23 juli 2024 01:44]

[Roel1966]

Bij het lezen van de kop dacht ik meteen aan glazen onderzetters waarin dan de cpu verwerkt zit en je die koelt door een koud glas Cola erop te zetten. Zie het dus al voor mij, momentje, de cpu word te warm, even Cola en ijs bijvullen