CoWoS والتغليف المتقدم: كيف تُشكّل هندسة الرقائق تصميم مراكز البيانات

آخر تحديث: 11 ديسمبر 2025

تحديث ديسمبر 2025: تُظهر TSMC تقنية التبريد السائل المباشر على السيليكون عبر منصة CoWoS محققةً مقاومة حرارية تبلغ 0.055 درجة مئوية/واط عند استطاعة حرارية تتجاوز 2.6 كيلوواط على وسائط بينية بمساحة 3,300 ملم². تستحوذ NVIDIA على أكثر من 70% من طاقة إنتاج CoWoS-L لدى TSMC لعام 2025. تتزايد أحجام شحن وحدات معالجة الرسومات بمعمارية Blackwell بنسبة تتجاوز 20% فصلياً نحو أكثر من مليوني وحدة سنوياً. أصبح التغليف المتقدم القيد الرئيسي في إمداد مسرّعات الذكاء الاصطناعي.

عرضت TSMC تقنية التبريد السائل المباشر على السيليكون المدمجة في منصة CoWoS خلال مؤتمر IEEE ECTC 2025، محققةً مقاومة حرارية من الوصلة إلى المحيط تبلغ 0.055 درجة مئوية/واط عند تدفق مبرّد يبلغ 40 مل/ثانية—أفضل بنحو 15% من التبريد السائل مع الأغطية ومواد الواجهة الحرارية.[^1] أثبت العرض التشغيل المستدام فوق استطاعة حرارية تتجاوز 2.6 كيلوواط على وسيط بيني ضخم بمساحة 3,300 ملم² يدعم شرائح منطقية متعددة ومجموعات HBM. تطورت تقنية التغليف المتقدم من مجرد اهتمام في تصنيع أشباه الموصلات إلى محرك رئيسي لهندسة الطاقة والتبريد في مراكز البيانات.

استحوذت NVIDIA على أكثر من 70% من طاقة إنتاج التغليف المتقدم CoWoS-L لدى TSMC لعام 2025، مع تزايد أحجام شحن وحدات معالجة الرسومات بمعمارية Blackwell بأكثر من 20% كل ربع سنة نحو أحجام سنوية تتجاوز مليوني وحدة.[^2] يعكس تخصيص الطاقة الإنتاجية كيف أصبح التغليف المتقدم القيد الحاسم في إمداد مسرّعات الذكاء الاصطناعي. يجب على مشغّلي مراكز البيانات الذين يخططون لاستثمارات البنية التحتية فهم كيف تؤثر تقنية التغليف على الأنظمة التي ينشرونها، بدءاً من متطلبات توصيل الطاقة مروراً بمتطلبات التبريد وصولاً إلى عوامل الشكل الفيزيائية.

فهم التغليف المتقدم

يدمج التغليف المتقدم شرائح سيليكون متعددة في حزم موحدة تعمل كشرائح منفردة، مما يتيح قدرات مستحيلة مع التصاميم المتجانسة.

شرح تقنية CoWoS

تجمع تقنية CoWoS (الشريحة على الرقاقة على القاعدة) بين شرائح متعددة على وسيط بيني من السيليكون، والذي يُربط بعد ذلك بقاعدة الحزمة.[^3] يتميز الوسيط البيني السيليكوني بوصلات معدنية عالية الكثافة وثقوب عبر السيليكون (TSVs)، مما يوفر اتصال بيانات فائق النطاق الترددي ومنخفض زمن الاستجابة بين الشرائح. تُقدّم النتيجة كفاءة طاقة محسّنة وأداءً حرارياً وحجماً مضغوطاً حاسماً لأحمال عمل الذكاء الاصطناعي والحوسبة عالية الأداء والسحابة.

على عكس حزم الشريحة المنفردة التقليدية، تُمكّن CoWoS التكامل المتغاير الذي يجمع بين SoCs ووحدات معالجة الرسومات ومجموعات ذاكرة HBM في حزمة واحدة.[^3] يُزيل التكامل عقوبات النطاق الترددي وزمن الاستجابة للاتصال عبر حدود الحزم. يزداد النطاق الترددي للذاكرة الذي يُقيّد أداء الذكاء الاصطناعي بشكل كبير عندما تقع مجموعات HBM على بُعد ملليمترات من شرائح الحوسبة بدلاً من عبر لوحة الدوائر المطبوعة.

متغيرات CoWoS

اعتمدت NVIDIA التغليف المتقدم CoWoS-L، الذي يدمج طبقة إعادة التوزيع (RDL) مع وسيط بيني سيليكوني جزئي (LSI).[^2] تُعزز CoWoS-L حجم الشريحة ومساحتها بزيادة كثافة الترانزستورات، مما يُمكّن من تكديس المزيد من الذاكرة عالية النطاق الترددي. مقارنةً بتقنيتي CoWoS-S وCoWoS-R، تُقدّم CoWoS-L أداءً فائقاً ومردودية أعلى وكفاءة تكلفة أفضل.

تستخدم CoWoS-S (الوسيط البيني السيليكوني) وسيطاً بينياً سيليكونياً كاملاً يمتد عبر جميع الشرائح. يوفر هذا النهج أدق خطوة توصيل بينية لكنه يُقيّد حجم الحزمة بحدود تصنيع الوسيط البيني السيليكوني. تصل حزم CoWoS-S الحالية إلى ما يقارب 2.5 حجم شبكية.

تستبدل CoWoS-R (وسيط بيني RDL) الوسيط البيني السيليكوني بطبقة إعادة توزيع عضوية، مما يُقلل التكلفة على حساب كثافة التوصيل البيني. تُناسب التقنية التطبيقات التي تتطلب حزماً كبيرة حيث تصبح الوسائط البينية السيليكونية الكاملة باهظة التكلفة.

التقنيات المنافسة

تُوصّل تقنية EMIB (جسر التوصيل البيني متعدد الشرائح المدمج) من Intel الشرائح الصغيرة باستخدام جسور سيليكونية دقيقة مدمجة مباشرةً في قاعدة الحزمة، مما يُلغي الحاجة إلى وسيط بيني سيليكوني كبير.[^4] يُقلل هذا النهج كلاً من التكلفة والتعقيد الحراري مقارنةً بحلول الوسيط البيني الكامل. تُناسب EMIB التصاميم حيث تتواصل الشرائح في أزواج بدلاً من الحاجة إلى اتصال شبكي كامل.

تُكدّس تقنية Foveros من Intel الشرائح عمودياً باستخدام ثقوب عبر السيليكون أو الربط النحاسي المباشر.[^4] يُقدّم التكديس ثلاثي الأبعاد كثافة توصيل بيني عالية وتكاملاً متغاير العُقد على حساب اعتبارات حرارية ومردودية أكثر صرامة. تصبح الإدارة الحرارية صعبة بشكل خاص عندما تتكدس الشرائح المولّدة للحرارة عمودياً.

تظل CoWoS-L من TSMC الخيار الأساسي لوحدات معالجة الرسومات عالية الأداء للذكاء الاصطناعي والمسرّعات كثيفة HBM رغم البدائل المنافسة.[^4] إن نضج إنتاج التقنية وأدائها المُثبت عند مستويات طاقة مسرّعات الذكاء الاصطناعي يجعلها الخيار الافتراضي للتصاميم الرائدة.

التداعيات الحرارية

يُركّز التغليف المتقدم توليد الحرارة بطرق تتحدى مناهج التبريد التقليدية.

تحديات كثافة الطاقة

تُمثّل حزمة CoWoS بمساحة 3,300 ملم² تُبدد أكثر من 2.6 كيلوواط كثافات طاقة تتطلب تبريداً متطوراً يتجاوز قدرات التبريد الهوائي.[^1] تتركز الطاقة في شرائح الحوسبة التي تشغل جزءاً من إجمالي مساحة الحزمة، مما يُنشئ نقاطاً ساخنة حرارية تُقلل من أهمية متوسط كثافة طاقة الحزمة.

تُولّد مجموعات HBM المحيطة بشرائح الحوسبة حرارة إضافية مع الحاجة إلى التحكم في درجة الحرارة للحفاظ على موثوقية الذاكرة. تُقيّد مواصفات HBM درجات حرارة التشغيل بشكل أكثر صرامة مما تتحمله شرائح المنطق. يجب أن تُعالج تصاميم التبريد كلاً من درجات حرارة شرائح المنطق القصوى والمتطلبات الحرارية الموزعة لـ HBM.

يدفع التطور من وحدات معالجة رسومات بقوة 300 واط إلى أكثر من 700 واط في الجيل الحالي والحزم المتوقعة بأكثر من 1000 واط في الجيل القادم تغييرات جوهرية في هندسة مراكز البيانات الحرارية. لا يمكن لمناهج التبريد الهوائي التي تعاملت مع الأجيال السابقة أن تتوسع إلى مستويات الطاقة الحالية دون عقوبات صوتية أو طاقوية غير مقبولة.

تكامل التبريد السائل المباشر

يُدمج التبريد السائل المباشر على السيليكون من TSMC قنوات ميكروفلويدية مباشرةً في بنية السيليكون، متجاوزاً مواد الواجهة الحرارية للحصول على معاوقة حرارية قريبة من الصفر.[^1] يُربط المُبرّد الصغير المدمج في السيليكون بالجهة الخلفية للشريحة عبر الربط الانصهاري، مما يُنشئ تلامساً حرارياً وثيقاً لا تستطيع المناهج القائمة على مواد الواجهة الحرارية مضاهاته.

تُمكّن التقنية التشغيل المستدام عند مستويات طاقة من شأنها إغراق الحزم المُغطاة ذات الألواح الباردة الخارجية. قد تتطلب مراكز البيانات التي تنشر مسرّعات الذكاء الاصطناعي من الجيل القادم هذا المستوى من التكامل الحراري بدلاً من تعديل التبريد الحالي لأحمال الطاقة الأعلى.

يُحوّل التكامل على مستوى الحزمة مسؤولية التبريد نحو مصنّعي أشباه الموصلات وموردي الأنظمة بدلاً من مشغّلي مراكز البيانات. يجب على المؤسسات التي تُحدد البنية التحتية للذكاء الاصطناعي فهم الحلول الحرارية التي تستخدمها أنظمتها المختارة ومتطلبات المنشأة التي تفرضها تلك الحلول.

متطلبات تبريد المنشأة

لا يزال التبريد السائل على مستوى الشريحة يتطلب رفض الحرارة على مستوى المنشأة. ينتقل الحمل الحراري من الشريحة إلى حلقة المبرّد إلى البنية التحتية لتبريد مركز البيانات. يجب أن تستوعب تصاميم المنشأة توزيع المبرّد والمبادلات الحرارية ورفض الحرارة النهائي بغض النظر عن مدى كفاءة اقتران الشرائح بالمبرّد.

قد تُركّز الحوامل عالية الكثافة التي يُمكّنها التغليف المتقدم أكثر من 100 كيلوواط في مواقع حامل منفردة. يُنشئ التركيز متطلبات تبريد موضعية تُكافح المناهج القائمة على الصفوف أو الغرف لمعالجتها. تصبح المبادلات الحرارية للأبواب الخلفية أو وحدات التبريد داخل الصف أو البنية التحتية للتبريد السائل المباشر للشريحة ضرورية.

تزداد متطلبات إمداد المياه ومعالجتها مع نشر التبريد السائل. تؤثر جودة المبرّد على كل من الأداء الحراري وعمر المعدات. يجب على مراكز البيانات إما توفير معالجة المياه أو تحديد أنظمة الحلقة المغلقة التي تُقلل من الاعتماد على جودة المياه.

اعتبارات توصيل الطاقة

تتطلب الحزم المتقدمة أنظمة توصيل طاقة تتوافق مع متطلبات التيار المتزايدة ومتطلبات تنظيم الجهد الأكثر صرامة.

وضع منظمات الجهد

يستفيد توصيل التيار العالي للحزم المتقدمة من منظمات الجهد الموضوعة بالقرب من الحزمة. تُقلل المسافة القصيرة خسائر المقاومة وتُحسّن الاستجابة العابرة عند تغير الطلب على الطاقة بسرعة. تضع تصاميم اللوحات بشكل متزايد VRMs بجوار حزم GPU مباشرةً.

تُنشئ مستويات التيار التي تصل إلى مئات الأمبيرات عند فولتيات أقل من 1 فولت متطلبات توزيع طاقة صعبة. يزداد عدد طبقات PCB وأوزان النحاس لنقل التيار دون خسارة مفرطة أو ارتفاع في درجة الحرارة. يزداد تعقيد تصميم اللوحة وتكلفتها جنباً إلى جنب مع طاقة الحزمة.

يؤثر تصميم شبكة توزيع الطاقة (PDN) على كل من كفاءة الحالة المستقرة والاستقرار العابر. تُظهر أحمال عمل الذكاء الاصطناعي انتقالات طاقة سريعة عند بدء الحسابات الدفعية واكتمالها. يجب أن تُوفر PDN طفرات التيار دون انخفاضات الجهد التي تُسبب الأخطاء.

البنية التحتية لطاقة المنشأة

يجب أن تستوعب البنية التحتية لطاقة مركز البيانات كلاً من الزيادات الإجمالية في الطاقة وزيادات كثافة الطاقة. يحتاج الحامل الذي يتطلب 100 كيلوواط إلى بنية تحتية كهربائية لا تُوفرها معظم المنشآت بشكل افتراضي. تتطلب سعة قضبان التوصيل وتصنيفات PDU وأعداد دوائر الفروع التحقق مقابل خطط النشر الفعلية.

تؤثر كفاءة الطاقة على مستوى المنشأة على التكلفة الإجمالية للملكية بشكل كبير. تُقلل الحزم المتقدمة التي تحقق أداءً أفضل لكل واط أحمال التبريد إلى جانب تكاليف الحوسبة. ومع ذلك، لا تتحقق الفائدة إلا إذا عملت البنية التحتية للمنشأة بكفاءة عبر نطاق الطاقة ذي الصلة.

تواجه أنظمة الطاقة الاحتياطية تحديات جديدة من البنية التحتية للذكاء الاصطناعي عالية الكثافة. يجب أن تتوافق سعة UPS والمولدات مع حمل المنشأة الذروي مع توفير وقت تشغيل كافٍ للإغلاق السلس. تتوسع التكلفة الرأسمالية للطاقة الاحتياطية مع الحمل المحمي، مما يزيد من استثمار البنية التحتية.

عوامل الشكل الفيزيائية

يؤثر التغليف المتقدم على عوامل الشكل الفيزيائية عبر التسلسل الهرمي للنظام.

أبعاد الحزمة

تُقيّد حدود حجم الوسيط البيني عدد الشرائح ومجموعات HBM التي تتسع في حزمة واحدة. تمتد حزم CoWoS الحالية عبر أحجام شبكية متعددة، مقتربةً من حدود معدات التصنيع. يُمكّن نمو حجم الحزمة المزيد من القدرات لكل حزمة لكنه يتحدى تصاميم المقابس واللوحات.

يزداد ارتفاع الحزمة مع عدد مجموعات HBM. تُضيف كل مجموعة HBM بُعداً رأسياً يجب أن تستوعبه تصاميم المقابس والمشتتات الحرارية. تُجري تصاميم الأنظمة التي توازن بين عدد الحزم وقيود الارتفاع مقايضات مختلفة عن الأجيال السابقة.

تتضمن أنماط مصفوفة الشبكة الكروية (BGA) للحزم المتقدمة آلاف الوصلات للطاقة والإشارة والأرضي. يجب أن تُلامس تصاميم المقابس جميع الوصلات بشكل موثوق مع السماح بإزالة الحزمة للخدمة. تؤثر الهندسة الميكانيكية للمقابس عالية عدد الدبابيس على قابلية صيانة النظام.

تصميم اللوحة والنظام

تُخصص تصاميم اللوحة الأم للحزم المتقدمة مساحة كبيرة لتوصيل الطاقة وقنوات الذاكرة والوصلات البينية عالية السرعة. قد تُقيّد مساحة اللوحة المطلوبة لكل حزمة عدد الحزم التي تتسع على لوحة واحدة. تختار تصاميم الأنظمة بين عدد أقل من الحزم الكبيرة أو المزيد من الحزم الأصغر بناءً على متطلبات عبء العمل.

تتطور عوامل شكل الخوادم لاستيعاب متطلبات الحزم المتقدمة. تتعارض قيود الارتفاع في عوامل الشكل القياسية 1U و2U مع حلول التبريد للحزم عالية الطاقة. تُعطي تصاميم خوادم الذكاء الاصطناعي المُخصصة الأولوية للأداء الحراري على كثافة الحامل.

تزداد كثافة طاقة الحامل مع ازدياد قدرة الحزم ضمن عوامل الشكل الثابتة. تجد المنشآت المُصممة لـ 10-15 كيلوواط لكل حامل أن البنية التحتية للذكاء الاصطناعي تتطلب 50-100+ كيلوواط لكل حامل. يُنشئ عدم التوافق بين البنية التحتية المُثبتة ومتطلبات النشر حالات تعديل مُكلفة.

تداعيات سلسلة التوريد

تؤثر قيود طاقة التغليف المتقدم على توافر البنية التحتية للذكاء الاصطناعي وآفاق التخطيط.

تخصيص الطاقة الإنتاجية

تُخطط TSMC لتوسيع ثمانية مرافق CoWoS على المدى القصير، بما في ذلك مرافق في ChiaYi Science Park ومواقع Innolux المُستحوذ عليها.[^5] يؤكد موردو معدات أشباه الموصلات أن TSMC واللاعبين من غير TSMC بما في ذلك ASE وAmkor وUMC

[تم اقتطاع المحتوى للترجمة]