Monolitik mimari nedir?

Monolitik mimari nedir? Bu soruyu yazımızda sizler için çözeceğiz ama öncelikle monolitik entegre devrenin tüm bileşenleri ve bağlantıları aynı yüzey üzerinde olan tek bir yarı iletken çip olduğunu bilmelisiniz. Bu işlem, bazı işlevleri aynı pakette harici bağlantılarla birbirine bağlanan birkaç küçük yongaya sahip olan hibrit bir IC veya MCM’nin tersine gerçekleşir.

Monolitik entegrasyon ile tüm devre bileşenleri, aynı üretim sürecinde tek parça yarı iletken malzeme (genellikle silikon) üzerinde üretilir. “Monolitik” terimi, “bir” anlamına gelen “mono” ve “taş” anlamına gelen “litik” kelimelerinin birleştirilmesinden, entegre bir devreye oyulmuş tek bir taş parçasına atıfta bulunmak anlamına gelir. Bir entegre devre (veya IC) veya monolitik yonga, verimliliğini ve performansını artırabilen, ancak ek sorunlara yol açabilen ayrı bir yonga veya yonga seti değildir…

Monolitik çiplerin avantajları

Genel olarak, başta zaten açıkladığım gibi, monolitik bir çip, tek bir silikon çip üzerinde uygulanan bir devredir. Tüm bileşenleri, entegre bağlantı katmanları aracılığıyla birbirine bağlanan aynı yarı iletken yüzey üzerindedir.

Bir devrenin tüm bileşenlerini tek bir monolitik çip üzerine entegre etmenin faydalarından biri, iyileştirilmiş sinyal kalitesidir. Bileşenler aynı alt tabaka üzerine yerleştirildiğinden, birbirlerinden uzaklıkları hemen hemen aynıdır. Bu şekilde, sinyalin gecikmesi minimum veya sıfırdır.

Diğer bir avantaj ise maliyetin düşürülmesidir (ancak daha sonra göreceğimiz gibi bu her zaman böyle değildir). Monolitik IC’ler büyük miktarlarda üretilir ve bu nedenle daha az silikon kullandıkları için daha ucuzdur. Ve tüm bileşenler aynı çip üzerinde olduğu için, birden fazla çipi birbirine bağlayabilecek hatalı bağlantı olasılığı daha azdır.

Diğer bir avantaj, monolitik devrenin, hibrit IC’lere kıyasla elektromanyetik girişime (EMI) ve radyo frekansı girişimine (RFI) karşı daha bağışık olmasıdır.

Yukarıda bahsedilen avantajlar, monolitik bir çip üzerine daha fazla bileşeni entegre etmek için zorlayıcı nedenlerdir. Tek bir çip üzerinde daha fazla bileşen ile üretim süreci basitleştirilir ve üretim süresi kısaltılır. Bu, çip üzerinde daha fazla ve PCB üzerinde daha az entegre olma eğiliminde olan daha az karmaşık devrelerin çoğu durumda geçerlidir.

Ayrıca daha az hata ve kusur riski ve daha iyi sinyal kalitesi vardır. IC’lerin daha monolitik hale gelmesinin bir başka nedeni, daha küçük geometri ve paketleme gibi yeni teknolojilerin tanıtılmasıdır. Daha küçük geometri, daha fazla bileşenin tek bir yonga üzerine entegre edilmesine olanak tanırken, 3D paketleme, birden fazla yonganın dikey olarak istiflenmesine olanak tanır; tüm bunlar, monolitik yongaların performansını ve işlevselliğini geliştirir.

Monolitik bir çipin dezavantajları

Monolitik IC’lerin dezavantajlarından biri, hibrit IC’lere kıyasla daha az esnek olmalarıdır. Hibrit IC’ler, gerektiğinde bileşenler eklenebilir veya çıkarılabilirken, monolitik IC’ler tek seferde, tek bir devre olarak yapılır. Bu, tüm çipi değiştirmeden monolitik bir IC’yi kolayca değiştiremeyeceğiniz anlamına gelir, bu da onları daha az modüler ve daha az ölçeklenebilir hale getirir.

Ayrıca, bileşenler aynı çip üzerinde üretildiğinden, gerekli sıcaklık ortamını korumak daha zordur ve ısıyı uzaklaştırmak daha zordur.

Monolitik IC’lerin bir başka dezavantajı, tüm çipin mükemmel şekilde çalışması gerektiğidir. Çipin bir parçası arızalanırsa, tüm çip arızalanır. Çoklu IC ile, bir parça arızalanırsa, her durumda mümkün olmadığı için, mümkünse sadece değiştirmeniz gerekir.

Monolitik IC’ler, çok karmaşık veya büyük olduklarında üretilmeleri daha pahalıdır. Örneğin, işlemcilerin yüzeyinin veya çekirdek sayısının artmasıyla, hatalı bir çip çıkma şansı artar, çubuk başına verim veya performans düşer. Fiyatları yukarı çeken de bu.

Bununla birlikte, büyük bellekler ve işlemciler (CPU, GPU,…) gibi var olan en karmaşık devrelerin daha az monolitik hale geldiğini ve aşağıdakiler gibi ardıl teknolojileri kullanmaya başladığını belirtmek de önemlidir.

Monolitik çiplere alternatifler

Monolitik yongaların sorunlarına alternatifler, karmaşık bir tasarımı daha monolitik yongalara ayırmak ve bunları aynı pakette (MCM veya yonga) birleştirmek veya 3D ambalajda istiflemektir. Bu, diğerlerinin yanı sıra daha karmaşık GPU’lar ve CPU’larla zaten yapılıyor.

Chiplet

Chiplet, genellikle bir denetleyici veya aracı görevi gören bir yonga ile tek bir pakette bir veya daha fazla başka yonga ile birleştirilen bağımsız bir silikon yongadır. Chiplet benzeri modüler bileşenler, multichip modülleri (MCM veya MultiChip Module) olarak da bilinir. IBM POWER’ın yanı sıra şimdi AMD Ryzen, Threadripper ve EPYC ve hatta bazı GPU’larda olduğu gibi bazı üreticilerin uzun süredir yaptığı bir şey.

Chiplet’lerin ana avantajı, tasarımcıların olgun IC’leri yeni tasarımlarda kullanabilmeleridir, çünkü bunları birleştirme olasılığı daha fazladır. Bu, çip tasarımı, geliştirme ve test için gereken süreyi azaltır.

Chipletlerin ana dezavantajı, monolitik yongalardan daha düşük performansa sahip olmalarıdır. Tasarımcılar, çipin tamamı üretilene kadar çipteki kusuru tespit edemezler.

Bir yonga seti geliştirmenin maliyeti, yeni bir monolitik yonga geliştirmenin maliyetinden daha düşüktür. Bu, nihai ürünün maliyetini azaltır. Tasarımcılar chiplet’leri büyük hacimlerde de kullanabilirler. Üreticilerin stoklarında bu çiplerden çok sayıda olacak. Bu, bu çipleri elde etmek için gereken süreyi azaltır. Ve monolitik olana kıyasla çipin yüzeyini azaltarak verim artar, böylece gofret başına daha geçerli çipler çıkacaktır.

3D Paketleme

Bu yonga yığınını farklı şekillerde birbirine bağlayan aracı teknolojisiyle oluşturulmuş, yongalar arasında çok sayıda ara bağlantıya sahip monolitik bir yongadır. Sonuç olarak yongalar, kalıplar, yongalar veya çoklu yonga modülleri olabilen diğer yongaların veya alt tabakaların üzerine istiflenir.

Çipler, ara bağlantılar (TSV’ler) aracılığıyla silikon kullanılarak birbirine bağlanır. Bu teknoloji, yapay zeka ve yüksek performanslı bilgi işlem gibi üst düzey uygulamalarda kullanılır.

3D paket çipi, tüm devre bileşenlerini tek bir pakette birleştirir. Bu, çipin boyutunu azaltır. En yüksek performansı ve kompakt yerleşimleri oluşturmak için çok kullanışlıdır.

Ancak, bir ama var ve bu, 3D paketlemenin ana dezavantajı, 3D paketlemeli bir çip geliştirmenin monolitik bir çipten daha uzun sürmesidir. Ve tüm bu yığılmış gücü soğutmanın zorlukları daha büyük.