¿Qué es la Arquitectura monolítica? Te resolveremos esta duda en el artículo, pero primero debes saber que el circuito integrado monolítico es un único chip semiconductor con todos sus componentes y conexiones en la misma superficie. Esto contrasta con un CI híbrido o MCM, que tiene varios chips más pequeños con algunas de sus funciones conectadas por conexiones externas en el mismo empaquetado.
Con la integración monolítica, todos los componentes del circuito se fabrican en una pieza de material semiconductor (normalmente silicio) en el mismo proceso de fabricación. El término «monolítico» proviene de la combinación de dos palabras – «mono», que significa «uno», y «lítico», que significa «piedra»- para referirse a una sola pieza de piedra que ha sido tallada en un circuito integrado. Un circuito integrado (o CI) o chip monolítico no está separado ni se trata de un chiplet ni tampoco de un chipset, lo que puede mejorar su eficiencia y rendimiento, pero puede generar otros problemas adicionales…
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En general, como ya he descrito al comienzo, un chip monolítico es un circuito que está implementado en una sola pastilla de silicio. Todos sus componentes están en esa misma superficie semiconductora interconectados mediante capas de conexiones también integradas.
Una de las ventajas de integrar todos los componentes de un circuito en un único chip monolítico es la mejora de la calidad de la señal. Como los componentes están colocados en el mismo sustrato, su distancia entre ellos es casi la misma. De este modo, el retraso de la señal es mínimo o nulo.
Otra ventaja es la reducción de costes (aunque no siempre es así, como veremos más adelante). Los CI monolíticos se fabrican en grandes cantidades y, por tanto, son más baratos porque utilizan menos silicio. Y como todos los componentes están en el mismo chip, hay menos posibilidades de que haya defectos en las conexiones que pueden enlazar varios chips.
Otra ventaja es que el circuito monolítico es más inmune a las interferencias electromagnéticas (EMI) y a las interferencias de radiofrecuencia (RFI) en comparación con los CI híbridos.
Una de las desventajas de los CI monolíticos es que son menos flexibles en comparación con los CI híbridos. A los CI híbridos se les pueden añadir o quitar componentes según sea necesario, mientras que los CI monolíticos se fabrican de una sola vez, como un único circuito. Esto significa que no se puede modificar fácilmente un CI monolítico sin sustituir todo el chip, en definitiva, son menos modulares y menos escalables.
Además, como los componentes se fabrican en el mismo chip, es más difícil mantener el entorno de temperatura requerido, y el calor es más difícil de eliminar.
Otra desventaja de los CI monolíticos es que todo el chip debe funcionar perfectamente. Si una parte del chip falla, falla todo el chip. Con un CI múltiple, si una parte falla, sólo hay que sustituirla, si es posible, ya que tampoco es posible en todos los casos.
Los CI monolíticos son más costosos de producir cuando se vuelven demasiado complejos o grandes. Por ejemplo, con el crecimiento de la superficie o del número de núcleos de los procesadores, las posibilidades de que salgan un chip defectuoso se incrementan, bajando el yield o rendimiento por oblea. Esto es lo que hace que se disparen los precios.
Las ventajas mencionadas anteriormente son razones de peso para integrar más componentes en un chip monolítico. Con más componentes en un solo chip, el proceso de fabricación se simplifica y el tiempo de producción se reduce. Esto es cierto en muchos casos de circuitos poco complejos que cada vez tienen a integrar más en el chip y menos en el PCB.
También hay menos riesgo de errores y defectos, así como una mejor calidad de la señal. Otra razón por la que los circuitos integrados son cada vez más monolíticos es la introducción de nuevas tecnologías, como la geometría más pequeña y el empaquetado. La geometría más pequeña permite integrar más componentes en un solo chip, mientras que el empaquetado en 3D permite apilar varios chips en vertical; todo ello mejora el rendimiento y la funcionalidad de los chips monolíticos.
Sin embargo, también es importante destacar que los circuitos más complejos que existen, como es el caso de las grandes memorias y los procesadores (CPU, GPU,…), cada vez son menos monolíticos, pasando a usar tecnologías sucesoras como las que detallo en el siguiente apartado…
Las alternativas para los problemas de los chips monolíticos pasan por separar en más chips monolíticos un diseño complejo, y montarlos en un mismo encapsulado (MCM o chiplet) o apilarlos en empaquetados 3D. Esto ya se está haciendo con GPUs y CPUs más complejas, entre otros.
El chiplet es un chip de silicio independiente que se combina con otro o más chips en un mismo empaquetado, generalmente con un chip que actúa como controlador o interposer.
Los componentes modulares tipo chiplet también se conocen como módulos multichip (MCM o MultiChip Module). Algo que llevan haciendo algunos fabricantes desde hace tiempo, como es el caso de los IBM POWER, así como ahora los AMD Ryzen, Threadripper y EPYC, e incluso algunas GPUs.
La principal ventaja de los chiplets es que los diseñadores pueden utilizar CI maduros en nuevos diseños, ya que la posibilidad de combinado es mayor. Esto reduce el tiempo necesario para el diseño, el desarrollo y las pruebas del chip.
La principal desventaja de los chiplets es que tienen un menor rendimiento que los chips monolíticos. Los diseñadores no pueden detectar el defecto en el chiplet hasta que se fabrica el chip completo.
El coste de desarrollar un chiplet es menor que el de desarrollar un nuevo chip monolítico. Esto reduce el coste del producto final. Los diseñadores también pueden utilizar los chiplets en grandes volúmenes. Los fabricantes tendrán un gran número de estos chips en stock. Esto reduce el tiempo necesario para obtener estos chips. Y es que el yield aumenta al reducir la superficie del chip frente a uno monolítico, por lo que saldrán más chips válidos por wafer.
Se trata de un chip monolítico con múltiples niveles de interconexión entre chips, creado con tecnología de interposer que conecta de diferentes formas esta pila de chips. En definitiva, los chips se apilan sobre otros chips o sustratos, que pueden ser troqueles, obleas o módulos multichip.
Los chips se interconectan mediante interconexiones a través de vías de silicio (TSV). Esta tecnología se utiliza en aplicaciones de gama alta como la inteligencia artificial y la informática de alto rendimiento.
El chip de empaquetado 3D integra todos los componentes del circuito en un solo encapsulado. Esto reduce el tamaño del chip. Es muy útil para crear el diseños compactos y de mayor rendimiento.
Pero, existe un pero, y es que la principal desventaja del empaquetado 3D es que lleva más tiempo desarrollar un chip con empaquetado 3D que un chip monolítico. Y los desafíos para poder refrigerar toda esa potencia apilada son mayores.
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