مقدمه
این فناوری توسط بزرگترین تولیدکننده ریزتراشه جهان، شرکت TSMC تایوان توسعه داده شده است و به عنوان انقلابی در بسته‌بندی ریزتراشه از آن نام برده می‌شود. بسته‌بندی پیشرفته ریزتراشه موضوعی است که در سال‌های اخیر توجه فعالان صنعت میکروالکترونیک را به خود جلب کرده است. روش‌های نوین در بسته‌بندی می‌تواند معماری ریزتراشه‌ها را در آینده‌ای نزدیک متحول کند و زمینه‌ساز تحولات بزرگی در صنعت ریزتراشه جهان باشد.
چرا به فناوری بسته‌بندی پیشرفته نیاز داریم؟
بسته‌بندی در ریزتراشه‌های کامپیوتری شامل مونتاژ و اتصال اجزای الکترونیکی برای ایجاد واحدهای عملکردی مانند پردازنده‌ها یا حافظه می‌شود. قانون مور در ابتدا پیش‌بینی می‌کرد که تعداد ترانزیستورها در یک ریزتراشه هر دو سال یک‌بار دو برابر می‌شود اما کوچکتر کردن ریزتراشه‌ها بخصوص در دهه گذشته بسیار دشوار شده و این اصل را به چالش کشیده است. برای مقابله با این چالش، بسته‌بندی پیشرفته به‌عنوان یک راه‌حل ارائه شده است به طوری که طراحان ریزتراشه اکنون از تکنیک‌های بسته‌بندی پیشرفته برای افزایش عملکرد پردازنده بدون نیاز به کوچکتر شدن بیشتر ترانزیستورها استفاده می‌کنند.
فناوری بسته‌بندی پیشرفته برای برآورده کردن تقاضای فزاینده میکروالکترونیک مدرن ضروری است. با قدرتمندتر و پیچیده‌تر شدن ریزتراشه‌ها، آنها به تعداد بیشتری از اتصالات و تأمین برق بیشتری نیاز دارند. فناوری بسته‌بندی پیشرفته می‌تواند این قابلیت‌ها را در قالبی کوچکتر و کارآمدتر فراهم کند.
CoWoS
CoWoSیک روش نوآورانه برای بسته‌بندی است که شامل قرار دادن چندین ریزتراشه روی یک ویفر است. به منظور درک بهتری از اجزای این فناوری، در ادامه به هر بخش از این فناوری به صورت مختصر پرداخته می‌شود:
ویفر[1]: ویفر یک برش نازک از ماده نیمه‌رسانا (معمولا سیلیکان) است که اجزای الکترونیکی روی آن ساخته می‌شوند.
ریزتراشه بر روی ویفر[2]: این بخش شامل قرار دادن یک ریزتراشه بر روی یک ویفر است که حاوی ریزتراشه‌های دیگر است و این امر استفاده بهینه از فضا و افزایش عملکرد را ممکن می‌سازد.
بستر[3]: بستر به‌عنوان پایه یا پلتفرمی عمل می‌کند که ریزتراشه‌های انباشته شده را پشتیبانی و اتصال می‌دهد و اساس ادغام و عملکرد مشترک آنها را فراهم می‌کند.
در شکل 1 اجزای مختلف این فناوری نشان داده شده است:
شکل 1. شمایی ساده شده از نحوه ادغام و تجمیع ریزتراشه‌ها روی بستر در فناوری CoWoS
منبع: (AnandTech)
اهمیت CoWoS
در ادامه بررسی می‌کنیم که چرا این فناوری می‌تواند برخی معادلات صنعت میکروالکترونیک را تغییر دهد و بازی را به نفع شرکت تایوانی پیش ببرد.
فضا و کارایی: CoWoS استفاده بهینه از فضا را روی یک ویفر با قرار دادن چندین ریزتراشه فراهم می‌کند. این برای دستیابی به قدرت محاسباتی بالاتر در یک فضای فیزیکی کوچکتر بسیار مهم است، به‌ویژه برای دستگاه‌های نسبتا کوچکی مانند گوشی‌های هوشمند و تبلت‌ها.
بهبود عملکرد: قرار دادن ریزتراشه‌ها به‌صورت نزدیک و کاهش فاصله‌های بین ریزتراشه‌ها ارتباط و سرعت انتقال داده‌ها را بهبود می‌بخشد و در نهایت عملکرد کلی سیستم یکپارچه را افزایش می‌دهد.
کاهش مصرف برق: نزدیکی فیزیکی ریزتراشه‌ها در CoWoS توان مورد نیاز برای ارتباط بین آنها را کاهش می‌دهد که منجر به کاهش مصرف برق ریزتراشه می‌شود.
مقرون‌به‌صرفگی: علی‌رغم پیچیدگی، CoWoSبا بهینه‌سازی استفاده از منابع و بهبود بازده ریزتراشه‌های قابل استفاده، از نظر اقتصادی انتخابی مناسب و به‌صرفه می‌باشد.
تفاوت بین بسته‌بندی سه بعدی[4] و CoWos
CoWoS و بسته‌بندی سه‌بعدی،هر دو از فناوری‌های پیشرفته بسته‌بندی هستند که در سال‌های اخیر مطرح شده و مورد استقبال صنعت میکروالکترونیک قرار گرفته‌اند. هدف این دو روش یکپارچه‌سازی و سه‌بعدی کردن ساختار کنار‌هم قرار گرفتن ریزتراشه‌ها به منظور افزایش کارایی و کاهش مصرف انرژی می‌باشد اما رویکرد این دو روش کاملا متفاوت است.
در CoWoS، ریزتراشه‌ها ابتدا به‌طور جداگانه روی ویفرهای مجزا ساخته می‌شوند. سپس این ریزتراشه‌ها کنار یکدیگر قرار می‌گیرند، با یک تراشه در بالا که به ویفر زیرین حاوی سایر ریزتراشه‌ها متصل است. در نهایت، آنها بر روی یک ساختار پشتیبانی بزرگ‌تر یا بستر ادغام می‌شوند. تمرکز در CoWoS بر قرار دادن ریزتراشه‌ها روی یک ویفر و ادغام آنها با بستر است که منجر به بهینه‌سازی استفاده از فضا و بهبود عملکرد می‌شود.
در بسته‌بندی سه‌بعدی، لایه‌های مختلف ریزتراشه‌ها به‌طور مستقیم روی یکدیگر قرار می‌گیرند یا به هم متصل می‌شوند. این ریزتراشه‌ها می‌توانند از نظر عملکردی متفاوت یا مشابه باشند. ادغام در بسته‌بندی سه‌بعدی معمولا با استفاده از تکنیک‌های ویژه‌ای برای اتصال و ارتباط بین لایه‌های ریزتراشه‌ها به‌دست می‌آید، که در نهایت یک ساختار سه‌بعدی همگن را تشکیل می‌دهد. هدف اصلی در بسته‌بندی سه‌بعدی، بهبود عملکرد، کاهش مصرف برق و بهبود کارایی کلی سیستم با استفاده از بعد عمودی(محورz) است.
تفاوت‌های کلیدی CoWoS و بسته‌بندی سه‌بعدی
رویکرد یکپارچگی: CoWoS شامل قرار دادن ریزتراشه‌ها روی یک ویفر و سپس ادغام آنها بر روی یک بستر است. در مقابل، بسته‌بندی سه‌بعدی ریزتراشه‌ها را به‌طور مستقیم روی یکدیگر قرار می‌دهد و متصل می‌کند.
استفاده از ویفر:CoWoS به‌طور عمده از یک ویفر برای قرار دادن ریزتراشه‌ها استفاده می‌کند، در حالی که بسته‌بندی سه‌بعدی شامل قرار دادن ریزتراشه‌ها از ویفرهای مختلف است.
پیچیدگی و انعطاف‌پذیری: بسته‌بندی سه‌بعدی می‌تواند از نظر اتصالات بین لایه‌ها پیچیده‌تر باشد، اما انعطاف‌پذیری بیشتری در ترکیب و جفت‌کردن ریزتراشه‌های مختلف با کارکردهای متفاوت ارائه می‌دهد.در CoWoS، از سوی دیگر، تمرکز بر قرار دادن ریزتراشه‌های ساخته شده بر روی یک ویفر است که به همین دلیل از نظر فنی پیچیدگی کمتری دارد.
کاربرد:CoWos اغلب برای ادغام ریزتراشه‌هایی که مکمل عملکرد یکدیگر هستند (مانند پردازنده و حافظه) استفاده می‌شود. بسته‌بندی سه‌بعدی متنوع‌تر است و می‌تواند برای موارد مختلفی، از جمله ادغام ریزتراشه‌های ناهمگن برای کارکردهای ویژه، استفاده شود.
ریزتراشه‌های غول پیکر؛ یک رقیب نوظهور
ریزتراشه‌های در مقیاس ویفر[5] Cerebras : انقلاب در محاسبات پیشرفته
در حالی که ابررایانه‌ها برای کارکرد مناسب و سریع به افزایش تعداد واحدهای پردازش گرافیکی[6] نیاز دارند، شرکت Cerebras در ایالت کالیفرنیای امریکا، رویکرد متفاوتی اتخاذ کرده است. به جای اتصال تعداد زیادی پردازنده گرافیکی به یکدیگر، این شرکت تعداد زیادی پردازنده را روی یک ویفر بزرگ قرار داده است. مزیت اصلی این روش در ارتباطات درون‌تراشه‌ای است؛ با اتصال پردازنده‌ها درون تراشه، تراشه در مقیاس‌ویفر انرژی اتلاف شده در اثر انتقال داده‌ها را که از اتصال تعداد زیادی پردازنده ایجاد می‌شود، کاهش داده و باعث افزایش سرعت انتقال داده‌ها و کاهش انرژی مصرفی کل تراشه می‌شود.
اندرو فلدمن، مدیر عامل و یکی از بنیان‌گذاران این شرکت مثال جالبی درباره نحوه کار این روش دارد:” تصور کنید یک خیاط وجود دارد که می‌تواند در یک هفته یک کت و شلوار بدوزد. او خیاط همسایه را می‌خرد، و او هم می‌تواند در یک هفته یک کت و شلوار بدوزد، اما نمی‌توانند با هم کار کنند. حالا، آنها می‌توانند در یک هفته دو کت و شلوار بدوزند اما آنچه نمی‌توانند انجام دهند این است که یک کت و شلوار را در نصف هفته تهیه کنند(در واقع نمی‌توانند از صرفه مقیاس استفاده کنند). پردازنده‌ها مانند خیاط‌هایی هستند که نمی‌توانند با هم کار کنند، با اتصال تعداد بیشتری از پردازنده‌ها، می‌توان تعداد بیشتری از اتم‌ها را به‌طور همزمان شبیه‌سازی کرد، اما نمی‌توان تعداد یکسانی از اتم‌ها را سریع‌تر شبیه‌سازی نمود. این روش اما امکان ایجاد صرفه به مقیاس در محاسبات ریزتراشه را ایجاد می‌کند زیرا در این فرایند ریزتراشه‌ها محدود به پهنای باند اتصالات بین خود نیستند و به همین دلیل می‌توانند سریع‌تر ارتباط برقرار کنند. مانند دو خیاط که به‌طور کامل همکاری می‌کنند تا یک کت و شلوار را در نیمی از هفته آماده کنند.”
اکنون این شرکت نتایج روش جدید خود را در دو حیطه جداگانه به نمایش گذاشته است:
محاسبات دینامیک مولکولی: Cerebras با تراشه در مقیاس‌ویفر نسل دوم خود، WSE-2، در محاسبات دینامیک مولکولی به دستاوردهای چشمگیری دست یافته است. این تراشه توانسته است در محاسباتی که اساس تا کردن پروتئین‌ها، مدل‌سازی آسیب‌های تابشی در راکتورهای هسته‌ای و مشکلات دیگر در علم مواد را تشکیل می‌دهند، عملکردی بسیار سریع‌تر از ابررایانه Frontier، سریع‌ترین ابررایانه جهان، ارائه دهد. این دستاورد، زمان محاسبات یک ساله را به دو روز کاهش داده است و امکان شبیه‌سازی تعاملات مولکولی در شرایط سخت و طولانی مدت را فراهم کرده است.
مدل‌های بزرگ زبانی[7]: شرکت Cerebras در همکاری با شرکت Neural Magic نشان داده است که مدل‌های بزرگ زبانی پراکنده[8] می‌توانند با یک‌سوم هزینه انرژی یک مدل کامل، بدون از دست دادن دقت، عمل کنند. مدل Llama که توسط Cerebras استفاده شده، شامل 7 میلیارد پارامتر است. با صفر کردن 70 درصد از پارامترهای مدل و اجرای مراحل آموزشی اضافی، سرعت عملکرد به طرز چشمگیری افزایش یافته و انرژی مصرفی نیز کاهش پیدا کرده است. این تکنیک با استفاده از سخت‌افزار ویژه‌ای که از روز اول برای پشتیبانی از پراکندگی نامنظم طراحی شده، امکان‌پذیر شده است. به گفته جیمز وانگ، مدیر بازاریابی محصول در Cerebras، این دستاورد برای کاربردهای گسترده‌ای مانند ChatGPT اهمیت دارد و می‌تواند هزینه‌های اجرایی را به میزان قابل توجهی کاهش دهد.
دستاوردهای شرکت Cerebras نشان‌دهنده تغییرات اساسی در روش‌های محاسبات پیشرفته است که می‌تواند تاثیرات قابل توجهی در زمینه‌های علمی و صنعتی داشته باشد. این روش‌ها، در کنار فناوری‌های بسته‌بندی نوین مانند CoWoS و بسته‌بندی سه‌بعدی، نشان‌دهنده آینده‌ای پر از نوآوری و بهبود کارایی در صنعت ریزتراشه هستند.
فعالیت غول‌های فناوری در بسته‌بندی پیشرفته
شرکت‌های مختلفی به‌طور فعال در زمینه فناوری‌های بسته‌بندی پیشرفته مانند CoWoS و بسته‌بندی مدارهای مجتمع سه‌بعدی فعالیت می‌کنند تا عملکرد را بهبود بخشند، مصرف برق را کاهش دهند، استفاده از فضا را بهینه کنند و قابلیت‌های جدیدی را ممکن سازند. در ادامه برخی شرکت‌ها و فناوری‌هایی که آنها در آن فعالیت می‌کنند ارائه شده است:
TSMC
TSMC یک شرکت پیشرو در تولید ریزتراشه است که به‌طور فعال بر روی CoWoS و دیگر فناوری‌های بسته‌بندی پیشرفته کار می‌کند. CoWoS یکی از پیشنهادات مهم TSMC است که امکان قرار دادن کارآمد ریزتراشه‌ها روی یک ویفر و ادغام آنها بر روی بستر را فراهم می‌کند. TSMC بر این فناوری تمرکز دارد تا ادغام ریزتراشه‌ها را بهینه کند، عملکرد را بهبود بخشد و مصرف برق را در دستگاه‌های الکترونیکی مختلف کاهش دهد.
Intel
این شرکت به شدت در فناوری‌های بسته‌بندی سه بعدی سرمایه‌گذاری می‌کند. نام فناوری پیشنهادی شرکت اینتل Foveros می‌باشد. این فناوری امکان قرار دادن عمودی ریزتراشه‌های مختلف (اجزای عملکردی یک تراشه) را فراهم می‌کند تا دستگاه‌های مجتمع سه‌بعدی ایجاد شود و عملکرد انرژی را بهبود بخشد. اینتل هدف دارد از این فناوری‌ها برای پاسخگویی به نیاز فزاینده به راه‌حل‌های محاسباتی قدرتمندتر و کارآمدتر استفاده کند.
Samsung
سامسونگ به‌طور فعال بر روی هر دو فناوری بسته‌بندی CoWoS و سه‌بعدی کار می‌کند. پیشنهادات سامسونگ شامل “X-Cube” و “I-Cube” برای یکپارچه‌سازی بسته‌بندی سه‌بعدی است. این فناوری‌ها طراحی شده‌اند تا راه‌حل‌های حافظه انباشته[9]، ادغام ناهمگن و ماژول‌های چند تراشه‌ای را ممکن سازند. سامسونگ بر این فناوری‌ها تمرکز دارد تا عملکرد سیستم را بهبود بخشد، مصرف برق را کاهش دهد و فضا را در دستگاه‌های الکترونیکی پیشرفته بهینه کند.
GlobalFoundries
GlobalFoundries نیز در فناوری‌های بسته‌بندی پیشرفته از جمله یکپارچه‌سازی فناوری بسته‌بندی سه بعدی سرمایه‌گذاری می‌کند. آنها در حال توسعه فناوری‌هایی مانند 3D FOWLP (بسته‌بندی سطح ویفر با خروجی فن‌دار سه‌بعدی) و قرار دادن تراشه‌های سه‌بعدی هستند تا یکپارچه‌سازی چند تراشه‌ای برای عملکرد بهبود یافته، بهره‌وری انرژی و مینیاتوری‌سازی را ممکن سازند.
این شرکت‌ها در فناوری‌های بسته‌بندی پیشرفته سرمایه‌گذاری می‌کنند تا به چالش‌های ناشی از محدودیت‌های ادغام ریزتراشه‌های دوبعدی سنتی پاسخ دهند. فناوری‌های بسته‌بندی پیشرفته مانند CoWoS و بسته‌بندی سه‌بعدی راه‌حل‌هایی ارائه می‌دهند تا عملکرد بهتر، بهره‌وری انرژی بیشتر و مینیاتوری‌سازی را به‌دست آورند و نیازهای دستگاه‌های الکترونیکی مدرن مانند گوشی‌های هوشمند، لپ‌تاپ‌ها، مراکز داده و دستگاه‌های اینترنت اشیا را برآورده سازند. همچنین توسعه هوش‌مصنوعی نیز از محورهای اصلی ایجاد تقاضا برای روش‌های نوین بسته‌بندی ریزتراشه است.
نقش پررنگ هوش‌مصنوعی در افزایش اهمیت CoWoS و پیشتازی بیشتر TSMC
رشد انفجاری فرصت‌های تجاری در حوزه هوش مصنوعی مولد[10] با تحریک توسط ChatGPT، تقاضا برای سخت‌افزار و نرم‌افزار مرتبط با هوش مصنوعی را افزایش می‌دهد. TSMC، تامین‌کننده انحصاری ریزتراشه‌های هوش مصنوعی برای Nvidia و دیگر فروشندگان، همچنین با توسعه ظرفیت تولید ریزتراشه خود، زنجیره تامین شرکای خود را نیز تقویت می‌کند.
طبق گزارشاتی از منابع آگاه، TSMC سفارشات بزرگی برای خرید تجهیزات کارخانه به منظور افزایش ظرفیت CoWoS خود ثبت کرده است. منابع گفتند که TSMC چندین بار در مورد پردازنده‌های سرور AI در سال‌های آینده که تزریق درآمد قابل‌توجهی خواهند داشت، صحبت کرده و اخیرا برنامه ظرفیت خود را بازبینی کرده و سفارشات فوری به زنجیره تأمین تجهیزات مرتبط با CoWoS ارسال کرده است. سه سال آینده TSMC در حالت توسعه مداوم خواهد بود. تخمین زده می‌شود که از سه‌ماهه چهارم 2024 تا 2026، کارخانه‌های AP7[11] در لونگتان، ژونان، تایچونگ، تینان و چیایی که اخیرا اعلام شده است ساخته شود، یکی پس از دیگری افتتاح خواهند شد. تا پایان سال 2024، ظرفیت تولید ماهانه CoWoS شرکت TSMC به حداقل 36000 قطعه خواهد رسید که نسبت به سال 2023 دو برابر شده است و در سال 2025 به 50000-55000 قطعه افزایش خواهد یافت. تخمین زده می‌شود که در سال 2026 این ظرفیت احتمالا همچنان در حال افزایش باشد.
منابع اشاره کردند که همه فروشندگان ریزتراشه‌های هوش مصنوعی به دنبال ظرفیت تولید TSMC هستند. علاوه بر Nvidia که 50% از ظرفیت را برای سه سال آینده پیش خرید کرده است، AMD، Google، Intel، Microsoft، Meta، AWS، Tesla و بسیاری دیگر از تولیدکنندگان بزرگ نیز در لیست مشتریان خدمات کارخانه TSMC برای ساخت ریزتراشه‌های هوش مصنوعی خود قرار دارند. خدمات یکپارچه TSMC برای ریزتراشه‌های هوش مصنوعی بسیاری از شرکت‌های بزرگ را جذب می‌کند.
با توجه به اینکه رقابت برای ریزتراشه‌های هوش مصنوعی به سرعت در حال شدت گرفتن است و کوچکترین اشتباه ممکن است باعث شود یکی از رقبا از مسابقه خارج شود، بسیاری از شرکت‌ها از ریسک تغییر به تامین‌کنندگان دیگر خودداری می‌کنند و حتی سری Gaudi اینتل نیز سفارشی به TSMC داده است.
به گفته TSMC، اکثر شرکت‌های هوش مصنوعی از مشتریانش هستند و تا سال 2028، پردازنده‌های سرور AI بیش از 20% از کل درآمد آن را تشکیل خواهند داد. با برآورد محافظه‌کارانه از درآمد TSMC در سال 2028 که بیش از 120 میلیارد دلار آمریکا خواهد بود، کسب و کار ریزتراشه‌های هوش مصنوعی حداقل 24 میلیارد دلار آمریکا به شرکت کمک خواهد کرد.
جمع‌بندی
در صنعتی با رشد سریع مانند صنعت ریزتراشه، TSMC با استراتژی‌های آینده‌نگرانه و رو به جلو خود برجسته است. با پیش‌بینی موانع احتمالی فناوری که می‌تواند رشد برنامه‌های کاربردی هوش مصنوعی را مختل کند، این شرکت به‌طور پیشگامانه برنامه‌های بسته‌بندی پیشرفته‌ای مانند CoWoS را به راه انداخت که از سال 2009 تحت هدایت شانگ-یی چیانگ آغاز شد. این پیش‌بینی پیش از درک عمومی از اهمیت بسته‌بندی به‌عنوان عنصری حیاتی در آینده نیمه‌رساناها بود و باعث شد شرکت تایوانی در این بخش از زنجیره نیز دست بالا را داشته باشد و رشد شرکت‌های بزرگی مانند Nvidia، AMD و بسیاری دیگر از غول‌های فناوری به این شرکت تایوانی وابسته باشد.
منابع
3dfabric.tsmc.com. (n.d.). CoWoS® – Taiwan Semiconductor Manufacturing Company Limited. [online] Available at: https://3dfabric.tsmc.com/english/dedicatedFoundry/technology/cowos.htm
DIGITIMES. (2024). TSMC places rush orders for CoWoS-related fab tools to meet global AI demand. [online] Available at: https://www.digitimes.com/news/a20240513PD200/tsmc-cowos-ai-chip-nvidia-semiconductors.html
TrendForce Insights. (n.d.). [News] NVIDIA’s H100 Chip Heat Declines, CoWoS Capacity Eases. [online] Available at: https://www.trendforce.com/news/2024/04/30/news-nvidias-h100-chip-heat-declines-cowos-capacity-eases/
Team, E. (2023). CoWoS: TSMC’s New Secret Weapon for Advanced Packaging. [online] techovedas. Available at: https://techovedas.com/cowos-tsmcs-new-secret-weapon-for-advanced-packaging/#google_vignette
TrendForce Insights. (n.d.). [News] CoWoS Capacity Shortage Challenges AI Chip Demand, while Taiwanese Manufacturers Expand to Seize Opportunities. [online] Available at: https://www.trendforce.com/news/2024/02/19/insights-cowos-capacity-shortage-challenges-ai-chip-demand-while-taiwanese-manufacturers-expand-to-seize-opportunities/
spectrum.ieee.org. (n.d.). Giant Chips Give Supercomputers a Run for Their Money – IEEE Spectrum. [online] Available at: https://spectrum.ieee.org/cerebras-wafer-scale-engine [Accessed 25 Jul. 2024].
[1] Wafer
[2] Chip on Wafer
[3] Substrate
[4] 3D Packaging
[5] Wafer Scale
[6] GPU
[7] LLM (Large Language Model)
[8] Sparse large language model
[9] Stacked memory
[10] Generative AI
[11] کارخانه‌های مخصوص فناوری پیشرفته بسته‌بندی شرکت TSMC