IR
雲端功耗/終端電壓/異質整合挑戰紛起 AI晶片力克可靠度設計難關
AI技術是透過模擬人腦的類神經網路,經過深度學習,取得物件特徵參數,產生模擬人腦的判斷能力。這看似很艱深的AI技術,其實早已進入大眾的日常生活,包括手機語音輸入辨識能力,幾乎達真人辨識水準即是一例。
除了演算法與大數據的演進與支援之外,硬體方面,AI晶片依不同的應用領域,不斷往高效能、高頻寬或低耗電等特性演進(表1),因此晶片硬體效能不斷提升,更是支持AI應用領域不斷進步的必要因素。
AI運用在COVID-19防疫上,其晶片的可靠度與效能是重要關鍵。由於AI雲端運算晶片具有高功耗特點,AI終端運算晶片則有低電壓的特色。然而這些特性不僅會影響AI晶片的效能與壽命,甚至連AI晶片可靠度試驗設計手法、設備等,也面臨極大挑戰。一般而言,有以下三大挑戰。
雲端AI晶片面迎熱消散/平衡之高功耗挑戰
資料中心的雲端AI晶片,肩負人工智慧的深度學習任務,必須提高效能運算,也因此將耗費大量電能,其單一顆晶片耗電量甚至超過200W(瓦),伴隨產生的高熱,將使得晶片老化速度加劇。
因此,一年必須連續工作365天的雲端運算AI晶片,對老化產生的可靠度問題更需審慎評估。
可靠度測試原理必須抽樣(Sampling)一定數量的IC進行實驗來預估母體的生命週期與故障機率。通常抽樣的數量為77顆,當77顆百瓦的晶片一起在一台可靠度系統設備執行1,000小時的可靠度測試時,上萬瓦的功率熱能將會嚴格考驗可靠度測試系統的熱消散與熱平衡能力。
唯有精準的熱消散與熱平衡能力,才能讓每一顆晶片在執行各種不同運算模式時,使晶片都能維持穩定的接面溫度(Junction Temperature, Tj),如此才能夠準確預估IC的生命週期。因此,如何消散與控制高效能雲端AI晶片所產生的熱能,將是IC可靠度實驗設計面臨的挑戰。
多系統電源需求考驗終端AI晶片低電壓設計
終端AI晶片因其應用環境的特殊性,除了運算效能外,還被要求低耗電,例如行動裝置、IoT、無人機、電動車自動駕駛輔助等,皆需仰賴電池供電。
雖然半導體製程不斷進步,相同邏輯閘數下的動態電流越來越省電,但是尺寸微縮的物理特性效應下,電晶體靜態漏電流反而增加,摩爾定律每兩年電晶體面積縮減一半的好處,並無法讓晶片的功耗密度減半,相同面積的晶片將會消耗比以往更大的電流。
故為了降低功耗,除了低工作電壓設計外,多工作電壓與多閘極電壓的設計普遍可見。然而,對於可靠度測試系統而言,動輒10組以上的系統電源需求,將挑戰可靠度設備電源數目的極限。
同時1V或甚至低於1V的主電源(Core Power)低工作電壓,將使得IC餘裕度(Power Margin)越來越小,電路板上的電壓降(Power IR Drop)或者漣波(Power Ripple),將容易造成IC可靠度測試出錯,因此規畫一個終端AI晶片的HTOL可靠度測試環境,從設備選擇、PCB電路板模擬與製作,以及各種細節與設計上的考量,必須大幅嚴謹於一般邏輯IC。
異質整合挑戰:熱消散路徑複雜化
異質整合(Heterogeneous Integration)是AI晶片一項重要的趨勢,為了加快不同晶片間的傳輸頻寬,不同製程的晶片會被整合在一個封裝內,常見如HBM/Sensor/MEMS/Antenna等,經由TSV/RDL/Bump/Interposer等製程手法,讓各個晶片並排或堆疊起來(圖1),這將大幅提升異質晶片間的資料傳遞效率,並使耗電量更低。
圖1 異質整合晶片
但是,越複雜的堆疊架構,將使熱產生與熱消散路徑複雜化,例如較大功耗晶片不一定位在封裝中心位置,各個晶片厚度可能不盡相同,將使得晶片產生的熱消散與熱感測方式不同於傳統封裝,因此如何在可靠度測試時正確量測與監控晶片溫度變得更加複雜。
綜上所述,如何面對熱消散與熱平衡能力、測試系統的電壓極限、以及異質整合的熱消散路徑複雜化,是在執行可靠度設計驗證時,必須克服的挑戰。對此,本文提出以下建議。
液態冷卻系統穩定控制高功耗AI晶片產生熱能
散熱設計功率(Thermal Design Power, TDP)是CPU晶片對主機板「散熱能力」的要求規格,目前桌上型電腦CPU的TDP規格最高在150瓦左右;而電競玩家為了維持CPU長時間高效高頻工作,往往會升級主機板、散熱片、風扇等等配件,使得升級後的系統散熱能力高於TDP要求,讓CPU能長時間高頻工作,而不會發生過熱降頻甚至休眠等問題。
但是伺服器及HPC等雲端AI晶片,當前TDP規格已達200W以上超高發熱功耗。而晶片因封裝結構與材料等因素,已難以使用空氣對流當散熱媒介,將晶片Junction溫度控制在目標值。
尤其可靠度測試要求的目標溫度在125℃,遠高於桌上型電腦的70℃,通常125℃時晶片功耗牆已處於解鎖狀態,故一不小心極可能造成晶片高溫燒毀。因此,當如此高功耗的IC進行高溫可靠度測試時,測試系統必須提供更快速的熱消散能力。
該可靠度驗證實驗室的解法是,利用更高效的液態冷卻控制調節系統(Liquid Cooling System),搭配客製化液態循環測試座(Socket)(圖2),此系統利用液態熱交換速率優於氣態的特性,以及即時監控晶片溫度與調節液態流速等方法,穩定控制超高功耗AI晶片產生的熱能,成功收集可靠度實驗數據。
圖2 液態冷卻系統
測試電路板電源層超前模擬 免去生產組裝後效能不符
AI晶片採用先進製程,超低的工作電壓已來到1V以下。然而,當高電流經過電路板走線時,容易在電路板上產生由低到高的壓降(DC IR Drop)(圖3),IR Drop將壓低原本已超低的工作電壓,容易使得AI晶片因電源電壓餘裕度(Power Voltage Margin)不足而失效。
圖3 IR Drop模擬
此外,當IC Power抽載大電流時,也會產生各種頻率的Simultaneous Switching Noise(SSN)。
而電路板的電源層阻抗(Power Plane...
盛群新推BA45F5640/BA45F5650 RF MCU
盛群(Holtek)新推出整合感煙偵測AFE、雙通道IR LED定電流驅動與低功耗Sub-1GHz RF收發器的感煙探測器專用Flash MCU BA45F5640、BA45F5650。適用於需RF聯網感煙探測產品,例如協同報警感煙探测器、RF通訊感煙偵測報警器。
BA45F5640/BA45F5650分別具備4K/8K×16 Flash ROM、256/1024 ×8 RAM、64/128 ×8 EEPROM、10-bit PTM、10-bit STM、多通道12-bit ADC、16-bit DAC(BA45F5650 only)。內置的感煙偵測 AFE整合了IR Sensor所需的濾波與放大電路,除IR Sensor外毋需任何外部元件。雙通道IR LED發射端定電流驅動電路,具有最大360mA及205mA定電流驅動能力,並且電流可以多段調整。在RF部分適用在1GHz以下免執照的ISM Band應用(315/433/470/868/915MHz),IC整合高功率PA、GFSK頻率合成器及數位解調功能,精簡外圍電路,射頻特性符合ETSI/FCC規範;可程式設定發射功率,最高達+13dBm;高接收靈敏度-119dBm@2kbps,低接收功耗4.2mA@433MHz,最高傳輸速率達250kbps。
BA45F5640、BA45F5650提供46-pin QFN封裝,專業的Holtek RF及安防工程服務團隊提供完整技術支援,可快速切入低功耗的IoT、智慧家庭/安防產品。
ams整合IR照明 強化臉部識別/後置相機3D功能
艾邁斯半導體(ams)日前宣布推出Merano Hybrid產品,該模組產品將紅外線(IR)泛光照明器的所有電子和光學零組件以及VCSEL驅動器整合到單一的緊密封裝,協助OEM廠商較易掌握熱門的3D功能。
ams副總裁暨3D感測模組和解決方案事業部門總經理Lukas Steinmann表示,得益於ams在先進光電技術方面的專業知識,Merano Hybrid模組是可以量產方案中,面積較小且帶有VCSEL驅動器的IR泛光照明系統。現在,手機製造商可以大幅減少開發時間並降低3D功能的開發風險,放心採納此一效能經過驗證的商用泛光照明解決方案。
高能源效率的2W Merano-Hybrid適用於最新的3D感測技術,包括飛時測距(ToF)和結構光方法。包括臉部識別、擴增現實、3D物件掃描和3D圖像渲染等應用以及其他工業和汽車應用都將是Merano Hybrid的適用範圍。
泛光照明器包括一個IR雷射發射器,一個控制雷射運作的驅動器,一個用於形成光束的透鏡和擴散器以及各種安全和保護功能,可提供調變後的光輸出,例如,行動電話的臉部識別系統於用戶使用時即時偵測。
隨著Merano Hybrid的推出,OEM廠商可以使用一個完整的、可立即投入生產的模組。該模塊採用表面安裝的5.5mm×3.6mm封裝,高度僅為3.7mm。相較於由分離元件組裝而成的大型系統,整合在優化模組封裝中得以明顯節省空間,使得泛光照明器系統更容易被設計於手機的空間內。而ams還在Merano Hybrid模組中內建了專用的光電二極管和互鎖迴路(Interlock Loop),用於眼睛安全監控。這大幅減少了OEM廠商欲獲得Class 1 眼睛安全認證所需的額外工程付出。
ADI攜手Jungo開發座艙監測技術提升車輛安全性
亞德諾(ADI)日前宣布與Jungo合作,共同開發基於飛時測距(ToF)和2D紅外線(IR)技術的攝影機解決方案,以實現車內駕駛員及座艙監測。結合ADI的ToF技術和Jungo的CoDriver軟體將可透過觀察頭部、身體位置以及眼睛注視情況來監測車內人員的睡意和注意力分散程度。該解決方案並可望實現基於臉部、身體和手勢的智慧互動,提供每位車內人員的人臉識別功能,實現個性化資訊娛樂及服務,以及共乘支付等功能。
ADI汽車連接暨感測產品總監Vlad Bulavsky表示,ADI與Jungo的合作,為目前手勢控制之外的創新擴增實境應用開啟了大門。相信此次合作可將座艙監測和基於ToF的駕駛員和乘客監測提升到一個新的層次,進而提高行車安全性。
3D ToF為一項無掃描LIDAR布光檢測和測距技術,藉由發射奈秒級高功率光脈衝來捕捉相關場景的深度資訊(通常是短距內)。ADI提供可直接提升3D ToF系統功能的產品和解決方案,包括處理、雷射驅動器、電源管理以及開發板和軟體/元件,進而快速實現3D ToF解決方案。
Jungo的CoDriver軟體運用先進的深度學習、機器學習和電腦視覺演算法,透過面向駕駛員的攝影機即時偵測駕駛員狀態。該軟體並支援車內全面偵測技術,如乘客人數統計、安全帶使用情況偵測、危急醫療偵測或觀察等功能。
Jungo執行長Ophir Herbst表示,OEM廠商已運用Jungo的CoDriver監測演算法來保障駕駛員和乘客的安全,並開發監測車內乘客狀態的創新用例。很高興與ADI合作,透過該公司的演算法和ADI的ToF技術使車輛更智慧,協助OEM滿足法規要求,並於下一代車輛中實現創新。
瞄準AI安防應用 Ambarella/Lumentum/安森美聯攻3D感測
Ambarella、Lumentum以及安森美半導體(ON Semiconductor)日前攜手共推3D感測平台,滿足智慧電鈴、門鎖等智慧門禁系統及智慧安防產品應用,已於2020年國際消費電子展(CES 2020)期間公開亮相。
Ambarella、Lumentum及安森美日前策略聯盟,共同推出3D感測平台。
安森美半導體商業感測部門副總裁兼總經理Gianluca Colli表示,該公司RGB-IR感測技術為可見光及紅外線(IR)影像提供物聯網視覺應用;Ambarella CV25電腦視覺SoC則內建影像訊號處理器(ISP),為RGB-IR感測器帶來高畫質影像,並促進AI處理能力於安全應用的創新。
傳統的結構光解決方案需同時使用IR及RGB相機模組,且需以專用ASIC進行深度處理。本次三方合推的新平台使用Lumentum的VCSEL技術,並配置安森美AR0237 RGB-IR CMOS影像感測器,以獲可見光及深度感測紅外線影像;Ambarella CV25 AI視覺SoC則支援深度處理、反欺騙演算法、3D臉部辨識演算法和影片編碼,降低系統複雜性並提高性能。
Ambarella CV25晶片的ISP支援RGB-IR色彩濾波矩陣及高動態範圍(HDR),進而在低光照和高對比度的環境提供高畫質影像;CVflow架構則提供動態偵測及3D人臉識別所需計算能力,可運作多種AI演算法以實現像是人流統計的功能;此外,具安全啟動、TrustZone和I/O虛擬化等功能可防止駭客入侵
Ambarella總裁兼首席執行官Fermi Wang表示,本次三強合作為下一代智慧門禁系統和安防裝置提供硬體平台,藉由Lumentum VCSEL解決方案、安森美半導體RGB-IR技術,以及該公司CV25 SoC所創建的3D感測平台,可降低系統複雜性並使其可靠又安全。
貿澤電子11月新產品開始供貨
貿澤電子(Mouser)在上個月發表超過434項新產品,全數均已可出貨。
新產品包括Microchip Technology DM320118 CryptoAuth信任平台套件,是一款CryptoAuthentication評估套件,可用來探索及開發適用於物聯網領域的解決方案,套件內包含預先配置的ATECC608A Trust&GO、預先設定的TrustFLEX,和可完全自訂的TrustCUSTOM產品。
Texas Instruments AWR1843毫米波汽車用雷達感測器則為一款整合式單晶片的調頻連續波(FMCW)雷達感測器,專為低功耗、可自我監控、超高準確度的汽車雷達系統中的毫米波(mmWave)應用所設計;Molex Micro-Lock Plus垂直連接器為1.25 mm間距的垂直插頭,具備正向鎖扣特性和可選購的密封功能,適合用於各種工業與消費型應用;Osram Opto Semiconductors Oslon P1616紅外線發射器為雙重堆層的紅外線(IR)發射器,適合CCTV監控、眼部追蹤、手勢辨識和保全等應用。
AMS宣佈推出新款鐳射泛光照明器模組MERANO
艾邁斯半導體(AMS)宣佈推出新款(IR)鐳射泛光照明器模組MERANO,這款光電二極體(PD)可提供行動3D感測應用(如人臉識別)所需的均勻光輸出。
透過在超薄封裝中採用垂直腔面發射雷射器(VCSEL)的泛光照明器,艾邁斯將推動主流手機中的3D感測應用。高度節能的2W Merano-PD適用於最新的3D感測技術,包括飛行測距和結構光等方法。人臉識別、擴增實境、3D物件掃描、3D圖像呈現及其他工業和汽車應用均將受益於Merano-PD的使用。
艾邁斯半導體3D感測、模組和解決方案業務線總經理Lukas Steinmann表示,艾邁斯半導體是全球領先的VCSEL式行動手機照明器模組整合製造商,可自行生產發射器和微型光學元件。也就是說,艾邁斯能夠進行元件匹配,以實現最優效能,同時協助MERANO-PD這樣的新型改良產品實現具有競爭力的系統成本,縮短產品上市時間。
在採用時間飛行原理運行的行動光學感測系統中,MERANO-PD可發射不可見IR光突發脈衝。單獨的IR光檢測器可感應照明區內物件的反射序列,並將這些物件呈現為3D深度圖或掃描圖。MERANO-PD 還可以用於點陣識別(結構光)3D感測系統、IR鏡頭的泛光照明以及工業3D感測器和掃描器。
MERANO-PD的VCSEL發射器發出的高品質均勻光束使其能夠輕鬆地整合至具有最低校準功能的3D感測系統中。憑藉艾邁斯半導體深厚的光學專業知識及對整個設計、生產和測試流程的全面掌控,該模組在遠場光學功率分佈均勻性方面表現出色。在預定義照明區內,該模組可精確控制940nm IR輸出以及照明圖案,進而實現最佳系統效率。
高效的VCSEL發射器以及整體式漫射器中的最低光學損耗,意味著 MERANO-PD僅需要較低的功耗,降低了主機設備電池所分配的能量。這個優點至關重要,因為消費者總是在期待新手機有更好效能的同時,也要求更長的電池運行時間。