O Guia Condensado para Placas de Circuito de Silício

Prefácio de Kevin Morris

Você notou que não existe a Lei de Moore para placas de circuito? Claro, vimos algumas melhorias graduais na tecnologia de PCB nas últimas duas décadas, mas ainda estamos usando o FR4 praticamente da mesma maneira que sempre fizemos, e o PCB agora é um grande fator limitante em nossa capacidade de miniaturizar nossos sistemas e torná-los mais confiáveis.

Está chegando a hora de abandonar o FR4?

Bob Conn é um cara fascinante – o que muitos de nós na engenharia consideraríamos como um "homem renascentista". Temos o prazer de apresentar o primeiro de uma série de artigos de Bob sobre placas de circuito de silício (SiCBs). Bob nos guiará pelos aspectos práticos do uso de SiCBs no mundo atual e nos dará uma visão de como os SiCBs podem evoluir como soluções viáveis ​​para um segmento cada vez maior de nosso trabalho de design.

Aproveitar!

-Kevin Morris

Na série de artigos a seguir, apresentarei um projeto de um sistema de computação de alto desempenho (HPC) baseado em placa de circuito de silício capaz de fornecer um petaflop de desempenho em um metro cúbico. Esta série cobrirá muita tecnologia, um pouco de história e uma boa quantidade de histórias. Será um guia faça você mesmo sobre como construir sistemas de silício 2.5D e 3D usando placas de circuito de silício.

-Bob Conn

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O Guia Condensado para Placas de Circuito de Silício

As placas de circuito de silício (SiCBs) são semelhantes às placas de circuito impresso (PCBs), mas feitas com substrato de silício em vez de FR-4. Matriz nua e matriz 3D empilhada são os componentes pretendidos, assim como qualquer peça embalada com impacto. As placas de circuito de silício podem ser feitas em quase qualquer fundição típica de wafer usando o processamento de back-end da linha ou front-end da linha, dependendo da fundição.

Os tamanhos de SiCB ficam entre PCBs e circuitos integrados (ICs). Um PCB típico tem 10 polegadas por 10 polegadas, um SiCB típico tem 2 polegadas por 3 polegadas e um IC tem menos de uma polegada de lado.

Os interpositores de silício, ao contrário das placas de circuito de silício, geralmente têm tamanho limitado por retículo - cerca de 1 polegada quadrada - e devem ser colocados em um pacote. Os interpositores de silício geralmente conectam coisas que são projetadas especificamente para interagir com o interpositor de silício - por exemplo, o interpositor de silício Xilinx conecta 4 dados FPGA separados projetados para o interpositor. Vários fornecedores agora fornecem fabricação de intermediários de silício.

Os SiCBs não estão limitados a um retículo em tamanho. Eles podem ser do tamanho de uma bolacha. Eles são mais parecidos com pequenos PCBs com dezenas de componentes. Simplesmente removendo os dados da embalagem e reduzindo os tamanhos dos traços, é possível transformar um projeto baseado em um grande FR-4 PCB em um pequeno SiCB, que tem menos de um quarto do tamanho.

Um projeto de HPC em um SiCB pode incluir 4 grandes dados de FPGA e 8 ou 16 dados de memória, talvez um dado de CPU, alguns drivers de oscilador/relógio empacotados em escala de chip, capacitores de bypass e conectores de E/S. Consulte a Figura 1. Pode ter cerca de 60 mm x 70 mm e menos de 3 mm de espessura – com componentes. Adicione mais alguns milímetros para dissipadores de calor.

Figura 1. Uma placa de circuito de silício de 58 mm x 68 mm destinada à computação de alto desempenho

Como comecei a pesquisar sobre SiCBs

Eu trabalhava na Xilinx na época que comecei a me interessar por SiCBs. Queríamos fazer enormes simulações do SPICE muito mais rapidamente. Freqüentemente, tínhamos tempos de execução em meses, então perdíamos muitas verificações.

Achei que precisava de cerca de 64 grandes FPGAs para executar trabalhos do SPICE aproximadamente 100 vezes mais rápido do que podíamos fazer na época. Mas 64 FPGAs e memória associada, reguladores, etc., ocupam muito espaço – normalmente um rack de 19" ou vários PCBs muito grandes. Eu poderia torná-lo muito menor? Eu queria colocá-lo na minha mesa e fazer SPICE massivo trabalho de simulação.

Compartilhei esse problema com dois amigos tomando cerveja na Los Gatos Brewery. Como eu estava me envolvendo em empilhar dados nus (dados de memória de configuração em cima de um dado FPGA) na Xilinx na época, e nós três projetamos e construímos muitos PCBs usando FPGAs empacotados, pensamos que sabíamos o suficiente para conectar um monte de dados FPGA nus em um único wafer – talvez 8 ou 16 – com muitos dados de memória.