Sustratos de chips de IA: estructura y paso al vidrio
Los sustratos para chips de IA son componentes clave para el rendimiento que conectan las señales y la alimentación entre los chiplets y la HBM. Se explican por separado las funciones de FC-BGA, los PCB con gran número de capas, los MLCC y los sustratos de vidrio, así como las condiciones para su comercialización.
FC-BGA es un sustrato de encapsulado que conecta el chip con la placa del sistema.
Los PCB con gran número de capas conectan varios encapsulados y componentes a nivel de sistema.
Las ventajas de los sustratos de vidrio son su planitud y estabilidad dimensional, pero el rendimiento de fabricación y la procesabilidad siguen siendo retos.
CPO puede implementarse sin sustratos de vidrio, por lo que el momento de adopción de ambas tecnologías puede ser diferente.
Al tomar decisiones de inversión, deben comprobarse por separado los anuncios de desarrollo, la certificación de clientes, la producción en masa y los ingresos.
Los sustratos para semiconductores de IA son componentes de alto rendimiento que conectan chiplets y HBM y distribuyen la energía y las señales. Los FC-BGA y los PCB de alto número de capas ya se utilizan, pero aún debe verificarse la viabilidad de la producción en masa de los sustratos de vidrio. Al tomar decisiones de inversión, hay que distinguir entre la viabilidad tecnológica y los ingresos reales.
Documento técnico de referencia: comunicado de Intel Newsroom sobre los sustratos de vidrio; la fecha del anuncio y los calendarios posteriores deben consultarse en las últimas divulgaciones de cada empresa
Función de los sustratos en los semiconductores de IA
Los sustratos no son solo placas que sujetan los chips, sino que proporcionan una red de conexiones eléctricas. Las rutas de señal y la red de alimentación también se forman dentro del sustrato. El tamaño del encapsulado y la densidad del cableado influyen en el rendimiento del sistema.
Los aceleradores de IA no están formados únicamente por GPU o chips de procesamiento específicos. La HBM y los chiplets de entrada y salida también se conectan a corta distancia. La integración heterogénea agrupa en un mismo encapsulado chips fabricados mediante procesos diferentes.
El chiplet es un enfoque que divide un único chip grande en varios bloques funcionales. No todos los chiplets mejoran automáticamente los costes o el rendimiento de fabricación. También deben calcularse los costes de las interfaces y del encapsulado.
Las funciones que desempeña el sustrato son las siguientes.
· Conexión de señales de alta velocidad entre chips
· Distribución estable de la alimentación y la tierra
· Soporte de las rutas de transferencia del calor generado por los chips
· Conexión de terminales con distintos tamaños y pasos
· Fijación mecánica del encapsulado a la placa del sistema
Distinción precisa entre FC-BGA y ABF
FC-BGA es una estructura de encapsulado ampliamente utilizada para chips de alto rendimiento. El chip se conecta al sustrato, en posición invertida, mediante bumps. Las bolas de soldadura situadas debajo del sustrato se conectan a la placa del sistema.
ABF no significa el propio FC-BGA. ABF es una familia de materiales aislantes de acumulación utilizados en capas de cableado fino. Por tanto, es impreciso utilizar en todos los contextos FC-BGA y sustrato ABF como sinónimos.
Los encapsulados para IA pueden requerir una gran superficie y muchas conexiones de entrada y salida. A medida que aumentan el número de capas y la densidad del cableado, también aumenta la dificultad de fabricación. Sin embargo, la existencia de escasez de suministro varía según el momento y las especificaciones.
Comparación entre PCB de alto número de capas y sustratos de encapsulado
Ambos sustratos difieren en su ubicación de montaje y en la precisión del cableado. El FC-BGA se coloca justo debajo del die semiconductor. El PCB de alto número de capas conecta varios encapsulados y componentes a escala del sistema.
Categoría | Sustrato de encapsulado FC-BGA | PCB de alto número de capas·MLB | Sustrato con núcleo de vidrio·interposer
Ubicación principal | Entre el die semiconductor y la placa del sistema | Placa principal de servidores y equipos de red | Dentro del encapsulado o en una capa de conexión intermedia
Función principal | Conversión de paso fino y conexión de señales y alimentación | Conexión a escala del sistema de encapsulados y conectores | Obtención de cableado fino de gran superficie y estabilidad dimensional
Principales retos | Cableado fino, deformación, rendimiento de fabricación | Alineación entre capas, pérdida de señal, perforación | Rotura, vías pasantes de vidrio, adhesión metálica, rendimiento de fabricación
Etapa del mercado | Producción comercial en masa | Producción comercial en masa | Coexistencia de desarrollo, producción de prueba y certificación de clientes
Indicadores que deben comprobarse | Especificaciones del producto y tasa de utilización | Proporción de ingresos de productos de alto número de capas y certificación de clientes | Rendimiento de la línea piloto y captación de clientes para producción en masa
MLB es una expresión amplia que se refiere a placas de circuito impreso multicapa. No todos los MLB son productos de alto valor añadido para servidores de IA. También resulta difícil juzgar la complejidad y la rentabilidad del producto únicamente por el número de capas.
En las señales de alta velocidad, el material y la estructura laminada actúan conjuntamente. También deben comprobarse la pérdida de inserción y el control de impedancia. La estructura de los conectores y las vías también modifica el rendimiento general.
Relación entre los MLCC y los sustratos
Los MLCC no son sustratos, sino componentes electrónicos pasivos. Almacenan carga para mitigar los cambios instantáneos de tensión. Alrededor del procesador se utilizan para el desacoplamiento y la supresión del ruido.
A medida que aumenta el consumo energético de los aceleradores de IA, el diseño de la red de alimentación se vuelve más difícil. El número y las especificaciones de los MLCC necesarios varían según el producto. No es posible calcular de manera uniforme la demanda basándose únicamente en el aumento del rendimiento del chip.
Para determinar los beneficios relacionados con los MLCC, hay que examinar la composición de los productos más que su cantidad. La tensión nominal y la capacitancia influyen en el precio unitario. El tamaño y las características térmicas también determinan su adopción real.
Razones por las que los sustratos de vidrio atraen atención
El vidrio puede ofrecer ventajas en cuanto a planitud y estabilidad dimensional. Su coeficiente de expansión térmica también puede ajustarse según la composición y el diseño. Estas características son favorables para reducir los errores de alineación en encapsulados de gran tamaño.
Un núcleo de vidrio puede requerir vías pasantes de vidrio. Se utilizan procesos de mecanizado láser y relleno metálico. Las microfisuras y la adhesión del metal influyen en el rendimiento de fabricación.
El vidrio no siempre ofrece una mejor disipación térmica que el plástico. El rendimiento térmico depende de la conductividad térmica del material y de la estructura completa del encapsulado. La refrigeración real se evalúa incluyendo el disipador de calor y el sistema de refrigeración.
Intel anunció una tecnología de sustratos de vidrio para encapsulado avanzado de próxima generación, y la fecha del anuncio puede consultarse en el comunicado oficial de Intel Newsroom. Esto no significa una transición inmediata de toda la industria hacia la producción en masa. La certificación de clientes y el momento de aplicación de cada empresa deben consultarse en sus últimas divulgaciones.
Condiciones de conexión entre los sustratos de vidrio y las comunicaciones ópticas
Los sustratos de vidrio y el CPO pueden estar relacionados, pero esta relación no es indispensable. CPO es una tecnología que coloca el motor óptico cerca del chip de conmutación. Su objetivo es reducir los problemas de distancia y consumo energético de las conexiones de cobre.
El mero hecho de que el vidrio sea transparente no reduce las pérdidas ópticas. El material y la geometría de la guía de ondas óptica determinan la pérdida de señal. La estructura de acoplamiento y las características de longitud de onda también deben diseñarse por separado.
El CPO también puede implementarse con fotónica de silicio y sustratos orgánicos. El sustrato de vidrio es una de las posibles opciones de integración futuras. Unificar los calendarios de comercialización de ambas tecnologías genera errores.
Resumen de la selección de sustratos según las condiciones
La selección del sustrato varía según el tamaño del encapsulado y la densidad de entrada y salida. Un solo material no sustituirá a todos los sistemas de IA. Los costes y las instalaciones de producción existentes también son condiciones para su adopción.
Condición necesaria | Tecnología examinada prioritariamente | Motivo de la evaluación
Encapsulado de procesadores de alto rendimiento | FC-BGA | Adecuado para el cableado fino y las conexiones de entrada y salida
Conexión de varios encapsulados dentro del sistema | PCB de alto número de capas | Se encarga de las conexiones a nivel de placa y de la distribución de energía
Conexiones ultrafinas entre chiplets | Interposer de silicio o puente de alta densidad | Permite implementar cableado corto y denso
Estabilidad dimensional de encapsulados de gran tamaño | Evaluación de sustratos con núcleo de vidrio | Permite aprovechar la planitud y las características de expansión térmica
Integración de entrada y salida óptica de corto alcance | CPO y tecnología de guías de ondas ópticas | Puede reducir la distancia de las conexiones eléctricas
Supresión de las fluctuaciones de tensión | MLCC y circuitos de gestión de energía | Suministro de corriente instantánea y mitigación del ruido
Ejemplo de cálculo de la ruta de señal
El rendimiento del encapsulado puede evaluarse dividiendo toda la ruta de señal. Por ejemplo, entre una GPU y la HBM existen varios tramos de conexión. Aunque se mejore un solo tramo, puede persistir el cuello de botella general.
· Compruebe las conexiones mediante bumps de la GPU y la HBM.
· Compruebe la estructura de cableado del interposer o del puente.
· Distinga entre las capas de señal y las capas de alimentación del sustrato de encapsulado.
· Compruebe la conexión entre las bolas de soldadura y el PCB de alto número de capas.
· Sume las pérdidas hasta los conectores y los módulos ópticos de red.
A este ejemplo no se le pueden aplicar cifras fijas comunes. Esto se debe a que la longitud del cableado y la velocidad de los datos varían según el producto. Para realizar el cálculo se necesitan las reglas de diseño y los resultados de medición del fabricante.
Errores y malentendidos habituales
Es frecuente cometer el error de considerar que la orientación tecnológica y los resultados de inversión significan lo mismo. Aunque aumente la adopción de una tecnología, la rentabilidad puede deteriorarse. En las fases iniciales, la depreciación y el bajo rendimiento de fabricación elevan los costes.
· Considerar FC-BGA y ABF como sinónimos absolutos.
· Interpretar que todos los MLB están destinados a servidores de IA.
· Suponer que la cantidad de MLCC instalada es la misma en todos los aceleradores de IA.
· Considerar que el vidrio siempre ofrece un mejor rendimiento térmico que los materiales orgánicos.
· Dar por hecha la adopción en comunicaciones ópticas basándose únicamente en la transparencia del vidrio.
· Interpretar un anuncio de desarrollo como una certificación de clientes o ingresos por producción en masa.
· No comprobar la fecha y el alcance del estudio de las cifras de cuota de mercado.
La cuota de mercado de una empresa concreta puede variar según la entidad de investigación. Tampoco están unificados los criterios para clasificar un producto como destinado a servidores de IA. Las cifras sin fuente ni año de referencia son difíciles de utilizar como fundamento de inversión.
Indicadores para verificar empresas e industrias
Las empresas relacionadas con los sustratos de vidrio deben evaluarse según cada fase de producción. La investigación y el desarrollo y la producción piloto son diferentes de la producción en masa. Las instalaciones de producción en masa tampoco garantizan ingresos procedentes de clientes.
Fase de verificación | Hechos que deben comprobarse | Documentos que deben consultarse
Desarrollo tecnológico | Fabricación de muestras y alcance del proceso | Anuncios técnicos oficiales, patentes
Producción de prueba | Instalación y funcionamiento de la línea piloto | Informes anuales, divulgaciones sobre instalaciones
Certificación de clientes | Clientes evaluadores y fase de certificación | Presentaciones de resultados, divulgaciones oficiales de contratos
Producción en masa | Capacidad de producción y estabilización del rendimiento de fabricación | Informes trimestrales, materiales de presentación corporativa
Reflejo en los ingresos | Ingresos y beneficios del negocio relacionado | Informes de auditoría, resultados de la división empresarial
También hay contratos en los que no se revela el nombre del cliente. En ese caso, deben comprobarse conjuntamente el aumento de los ingresos y la tasa de utilización. Aunque aumente el gasto de capital, puede que no le sigan nuevos pedidos.
Orden de verificación para invertir en sustratos de semiconductores
En la evaluación de una inversión, la comprobación de las divulgaciones debe preceder a la explicación tecnológica. Es necesario verificar la exposición real de la empresa para distinguir entre una temática de inversión y los resultados efectivos. Los datos pueden contrastarse en el siguiente orden.
· Busque en el informe anual la proporción de ingresos correspondiente al negocio de sustratos.
· Compruebe si se distinguen los ingresos de FC-BGA de los de PCB convencionales.
· Compruebe los productos a los que se destina la inversión en instalaciones y la fecha de entrada en funcionamiento.
· Distinga si la certificación de clientes se encuentra en la fase de desarrollo, prueba o producción en masa.
· Examine el efecto de la tasa de utilización y los gastos de depreciación sobre la rentabilidad.
· Compruebe conjuntamente la concentración de clientes y los cambios en los inventarios.
· Para la cuota de mercado, contraste la entidad de investigación y el año de referencia.
Samsung Electro-Mechanics y las empresas japonesas de sustratos tienen composiciones de negocio diferentes. Es difícil comparar su valor empresarial únicamente mediante la cuota de mercado. También debe separarse la contribución a los beneficios de los MLCC de la de los sustratos de encapsulado.
Las empresas de sustratos de vidrio necesitan los mismos criterios. No puede darse por sentada una ventaja comercial por el mero hecho de disponer de instalaciones piloto. Debe comprobarse si se hacen públicos el rendimiento de fabricación y la certificación de clientes.
Dónde consultar los documentos técnicos oficiales
La explicación técnica oficial de los sustratos de vidrio puede consultarse en el comunicado oficial de Intel Newsroom. La página tecnológica de TSMC 3DFabric aborda las estructuras de chiplets e interposers. El CPO y la fotónica de silicio pueden consultarse en la página tecnológica de NVIDIA.
Los importes de inversión y los calendarios de producción en masa de cada empresa pueden cambiar continuamente. Deben consultarse prioritariamente los informes anuales de las empresas correspondientes y las divulgaciones bursátiles. Las previsiones de las sociedades de valores deben leerse distinguiéndolas de los contratos definitivos de las empresas.
Injoys
