A TSMC's 3Dblox 2.0 Marca um Ponto de Viragem na Padronização do Design Avançado de Chiplets

A indústria de semicondutores está a passar por uma mudança fundamental, e a TSMC acabou de mover mais uma peça no xadrez que pode transformar a forma como os chips de próxima geração são projetados. No Fórum do Ecossistema OIP 2023, a empresa revelou o 3Dblox 2.0, um padrão aberto atualizado que simplifica o planeamento da arquitetura de circuitos integrados (3D IC) — e já está a ganhar tração entre grandes players como AMD, Micron, Samsung Memory e SK hynix.

Por que o 3Dblox 2.0 é importante: Quebrar o gargalo do design 3D

Durante anos, o design de chips empilhados em 3D tem sido um pesadelo de complexidade. Os engenheiros tinham que equilibrar a distribuição de energia, a gestão térmica e as restrições físicas em várias camadas, muitas vezes em ferramentas isoladas que não se comunicavam entre si. O 3Dblox 2.0 muda esse problema fundamental.

O novo padrão permite algo anteriormente impossível: os designers podem agora explorar arquiteturas 3D, definir domínios de energia, construir layouts físicos e simular o comportamento térmico e de energia tudo dentro de um ambiente integrado único. Pense nisso como dar aos arquitetos de chips um centro de comando unificado em vez de salas de controlo dispersas. Esta abordagem de “ambiente holístico” acelera dramaticamente a jornada desde o conceito inicial até ao silicon final.

Os ganhos de eficiência são substanciais. Ao permitir estudos de viabilidade de energia e térmica na fase inicial, antes de se comprometer com um design detalhado, as empresas podem identificar problemas que, de outra forma, surgiriam meses após o início do desenvolvimento. Recursos de espelhamento de chiplets aumentam ainda mais a produtividade, permitindo reutilizar designs em várias instâncias.

Um ecossistema a ganhar forma: 21 parceiros e a crescer

A TSMC não está a construir isto isoladamente. A Aliança 3DFabric já conta com 21 parceiros da indústria que coordenam toda a cadeia de fabricação de semicondutores. O que começou como uma estrutura de colaboração evoluiu para um fornecedor de soluções de pilha completa que abrange memória, substrato, testes, fabricação e integração de embalagem.

A colaboração na memória é particularmente reveladora sobre para onde a indústria está a caminhar. Para alimentar o apetite insaciável de IA generativa e grandes modelos de linguagem, a TSMC intensificou parcerias com Micron, Samsung Memory e SK hynix em tecnologias de memória HBM3 e HBM3e. Estas soluções de memória de alta largura de banda não são luxos — são pré-requisitos para sistemas de IA que exigem capacidade e throughput massivos.

Igualmente importante é a inovação em substratos. Trabalhando com a IBIDEN e a UMTC, a TSMC definiu ficheiros de design de substrato padronizados que permitem roteamento automático — uma medida que visa uma melhoria de produtividade de 10x. Quando se coordenam milhares de interligações entre chiplets empilhados em arranjos 3D, ferramentas automatizadas de design para fabricação (DFM) tornam-se essenciais.

O desafio do teste que ninguém fala

Uma dimensão frequentemente negligenciada é o teste. À medida que os chips se tornam tridimensionais, as metodologias tradicionais de teste deixam de ser eficazes. Como verificar se um chiplet enterrado a duas ou três camadas de profundidade está a funcionar corretamente? A TSMC tem colaborado com a Advantest e a Teradyne, os gigantes de equipamentos de teste automático (ATE), para desenvolver soluções que usam interfaces funcionais para testes de pilha de alta velocidade. As primeiras demonstrações visam alcançar mais uma melhoria de 10x na produtividade na fase de teste.

Isto importa porque a perda de rendimento em configurações 3D pode ser catastrófica — defeitos não são apenas problemas de fabricação; são exponencialmente mais caros de detectar após o empilhamento.

O ecossistema EDA responde

Para além dos esforços internos da TSMC, a empresa estabeleceu o Comité 3Dblox como um organismo de padrões independente, com participação da Ansys, Cadence, Siemens e Synopsys. Este comité opera com dez grupos de trabalho técnico que propõem continuamente melhorias nas especificações e garantem a interoperabilidade das ferramentas EDA. O objetivo é ambicioso: criar um padrão independente de fornecedores que permita aos designers combinar chiplets de qualquer fabricante sem compromissos arquiteturais.

Agora, os designers podem aceder publicamente às últimas especificações do 3Dblox, com fornecedores de EDA a desenvolver ativamente implementações de ferramentas que tornam o padrão prático em vez de teórico.

O que isto significa para a IA e além

As aplicações imediatas são óbvias. A AMD aproveitou o packaging avançado em 3D da TSMC para os seus aceleradores MI300, alcançando desempenho líder na indústria e largura de banda de memória para cargas de trabalho de IA. Mas as implicações vão mais longe. Sistemas de computação de alto desempenho (HPC), processadores móveis que lidam com inferência de IA cada vez mais complexa, e infraestruturas de data center dependem da capacidade de empilhar chiplets heterogéneos de forma eficiente.

Ao padronizar o design de ICs 3D através do 3Dblox e coordenar a fabricação através da Aliança 3DFabric, a TSMC não está apenas a melhorar a produtividade do design — está a eliminar as restrições arquiteturais que anteriormente forçavam as empresas a escolher entre desempenho, eficiência energética e tempo de entrada no mercado.

A visão mais ampla: de obstáculos à inovação a aceleradores de inovação

Isto remete ao motivo pelo qual a TSMC lançou a sua Plataforma de Inovação Aberta (OIP) há 15 anos. O Dr. L.C. Lu, colega e vice-presidente da plataforma de Design e Tecnologia da empresa, explicou claramente: à medida que a indústria adotava o pensamento de ICs 3D, a colaboração tornou-se mais importante, não menos.

A TSMC opera um ecossistema impressionante em escopo — mais de 70.000 títulos de IP, mais de 46.000 ficheiros de tecnologia e mais de 3.300 kits de design de processos que abrangem desde nós de 0,5 micron até aos de 2 nanómetros. Só em 2022, a empresa implementou 288 tecnologias de processo distintas para 532 clientes. Essa escala só funciona graças à padronização e colaboração.

O 3Dblox 2.0 e a expansão da Aliança 3DFabric representam a próxima evolução: transformar potenciais gargalos em fluxos de produção, tornando a inovação avançada em semicondutores acessível não apenas a gigantes bem dotados, mas ao ecossistema mais amplo. Quer esteja a projetar aceleradores de IA, soluções de sistema em chip ou processadores móveis de próxima geração, as barreiras ao acesso às capacidades 3D da TSMC estão a ser sistematicamente desmanteladas.