Desafios no Empacotamento Avançado para IA e HPC

À medida que a procura por inteligência artificial (IA) e sistemas de computação de alto desempenho (HPC) continua a ultrapassar os limites do desempenho dos semicondutores, o processo de empacotamento enfrenta novos desafios que vão além das preocupações tradicionais sobre a densidade de interconexões. O foco está agora a mudar para as limitações mecânicas e de controlo de processo do empacotamento avançado.

No centro da questão está a deformação (warpage), um problema que se torna mais pronunciado à medida que os tamanhos dos pacotes aumentam. O empacotamento, que antes era considerado uma concha passiva, é agora reconhecido como uma parte integral do desempenho do sistema. Fatores como o comportamento do substrato, caminhos térmicos, fornecimento de energia e sequenciamento do processo desempenham um papel crucial na determinação do que pode ser construído e fabricado em escala.

Importância da Arquitetura do Sistema

Sandeep Razdan, diretor do Grupo de Tecnologia Avançada na NVIDIA, destacou na conferência iMAPS que, “O que realmente impulsiona o desempenho hoje não é o número de flops ou teraflops por GPU, mas sim a arquitetura do sistema e o desempenho do sistema como um todo.” À medida que o empacotamento se torna uma parte ativa do desempenho do sistema, questões como deformação, alinhamento e rendimento de ligação são agora vistas como potenciais gargalos que devem ser resolvidos antes de escalar sistemas avançados.

Deformação como Desafio Estrutural

A deformação emergiu como um dos problemas mais significativos no empacotamento avançado. Não é apenas um incómodo; é um desafio estrutural que resulta de desequilíbrios de materiais dentro da pilha de empacotamento. Estes desequilíbrios agravam-se à medida que sistemas maiores e mais complexos são construídos, com silício colocado sobre materiais orgânicos e múltiplas camadas com comportamentos térmicos e mecânicos diferentes.

Vidro no Processo de Empacotamento

A introdução do vidro nos processos de empacotamento tem sido sugerida como uma solução para reduzir a deformação. O vidro é termicamente estável e dimensionalmente plano, tornando-o compatível com wafers de silício. No entanto, traz os seus próprios desafios, particularmente em termos de fragilidade e microfissuras. À medida que o tamanho dos painéis de vidro aumenta, estes problemas mecânicos tornam-se mais evidentes, e defeitos de manuseamento, como danos nas bordas e microfissuras, tornam-se fatores críticos que podem afetar o rendimento dos processos avançados de empacotamento.

Ligação Híbrida e Densidade de Interconexões

A ligação híbrida, que oferece alta densidade de interconexões, tornou-se essencial para sistemas de IA e HPC. Contudo, à medida que os tamanhos de pitch diminuem, o rendimento é cada vez mais influenciado pelo stress em vez de defeitos. Os desafios da ligação híbrida tornam-se mais complexos com o aumento da densidade de cobre e do stress mecânico, afetando o rendimento e o controlo do processo. Quando o tamanho do pitch reduz para 2-3 microns, o regime dominado pelo stress começa a prevalecer, apresentando novos obstáculos de fabrico que requerem técnicas mais refinadas para o manuseamento da contaminação, alinhamento e topografia.

Estabilidade Mecânica e Controlo do Processo

O empacotamento avançado está a entrar numa fase em que cada etapa do processo afeta as etapas subsequentes, e a estabilidade mecânica deve ser mantida ao longo de todo o processo. Desde o fornecimento de energia na parte traseira até aos processos de afinamento, os desafios tornam-se cada vez mais interdependentes. Por exemplo, a precisão exigida para o processamento na parte traseira é agora uma parte crítica do processo global de empacotamento, pois o polimento e a ligação devem ser rigorosamente controlados para evitar defeitos.

Abordagem Holística para a Estabilidade da Pilha

À medida que os tamanhos do empacotamento aumentam e os processos se tornam mais complexos, a estabilidade total da pilha — térmica, mecânica e elétrica — deve ser considerada de forma holística. Isto requer uma mudança da otimização de processos unitários individuais para a gestão do efeito cumulativo de todas as etapas envolvidas no processo de empacotamento. Compreender como os materiais e processos interagem em cada fase da montagem será fundamental para continuar a evolução do empacotamento avançado para aplicações de IA e HPC.