Chiplets為何存在？

在最先進(jìn)的工藝節(jié)點(diǎn)上開發(fā)單片芯片的時(shí)間正在迅速縮短。幾乎每個(gè)在設(shè)計(jì)前沿工作的人都在尋找某種使用離散異構(gòu)組件的高級(jí)封裝。

現(xiàn)在的挑戰(zhàn)是如何將整個(gè)芯片行業(yè)轉(zhuǎn)變?yōu)檫@種細(xì)分模式。這需要時(shí)間、精力以及公司、技術(shù)和方向的重大調(diào)整。隨著每一個(gè)新節(jié)點(diǎn)的擴(kuò)展優(yōu)勢(shì)不斷減少，芯片制造商正在尋求架構(gòu)和定制，以提高性能并降低功耗。系統(tǒng)級(jí)封裝、3D-IC、2.5D和扇出都是可行的選擇。但最大的玩家正在尋求Chiplets來幫助提供某種程度的大規(guī)模定制，比如可以像樂高積木一樣添加功能并按預(yù)期工作。

“我們處在一個(gè)新時(shí)代，”ASE研究員 William Chen 說?！斑^去，我們通常考慮三個(gè)部分——用戶、晶圓廠和介于兩者之間的封裝。現(xiàn)在我們必須考慮更廣泛的生態(tài)系統(tǒng)。我們需要設(shè)備，我們需要設(shè)計(jì)工具，所有這些都必須協(xié)同工作。這是正在進(jìn)行中的事情，因?yàn)槊總€(gè)人都有一個(gè)共同的目標(biāo)，那就是異構(gòu)集成、堆疊小芯片和定制解決方案。過去，我們只有一種前進(jìn)的方式。現(xiàn)在我們有多種方法。因此，我們可以為特定用例找到最佳組合?！?/p>

圖 1：2.5D 和 3D-IC 封裝。來源：日月光

Chen的觀點(diǎn)在整個(gè)行業(yè)都得到了共鳴“這是工具箱中的另一個(gè)工具，”Brewer Science首席開發(fā)官 Kim Arnold 說?！斑@不僅是如何打開和關(guān)閉事物并使它們組合在一起的靈活性，而且還設(shè)計(jì)了不同的方式來使事物組合在一起。這是英特爾的理念，而且他們不是唯一這樣做的人。這就是創(chuàng)建這些可以組合在一起以形成整個(gè)系統(tǒng)的軟件包的工作方式，很具有挑戰(zhàn)性?！?/p>

應(yīng)用程序正在推動(dòng)技術(shù)解決方案。“業(yè)界現(xiàn)在正在尋找智能集成解決方案，”Leti 的首席技術(shù)官兼副總監(jiān) Jean-Rene‘ Lequepeys 說?！袄?，使用 SOITEC 的 SmartCut 技術(shù)的當(dāng)前版本，將會(huì)有像 InP on silicon 或 GaN、SiC、SOI 等組合來滿足應(yīng)用?！?/p>

幾乎所有相關(guān)人員都將此視為一個(gè)漫長的過程，而不是一個(gè)快速的變化，并且這個(gè)過程充滿了障礙?！癈hiplet 的生態(tài)系統(tǒng)實(shí)際上正在形成中，”三星電子產(chǎn)品規(guī)劃副總裁 Indong Kim 說?！拌b于摩爾定律所發(fā)生的事情，人們已經(jīng)投入了大量資金并對(duì)其產(chǎn)生了興趣。我不知道是否有人真的擁有該解決方案的靈丹妙藥。但這不僅僅是一項(xiàng)技術(shù)。你需要研發(fā)封裝創(chuàng)新，以及各種 IP 的接口。還必須能夠找出哪些是已知的好產(chǎn)品，并確保有適當(dāng)?shù)漠a(chǎn)量。我們?cè)噲D回答的問題數(shù)不勝數(shù)?！?/p>

材料問題

挑戰(zhàn)之一是如何集成在不同節(jié)點(diǎn)開發(fā)的芯片，并使用不同的基板或介電膜，這些芯片可能在不同條件下（包括這些不同小芯片在封裝中的放置位置）以不同速率對(duì)熱量或老化做出不同反應(yīng)。

“一個(gè)關(guān)鍵趨勢(shì)是新材料，”Nova的首席技術(shù)官 Shay Wolfling 說。“過去，我會(huì)在實(shí)驗(yàn)室里穩(wěn)定材料，一旦符合要求，我就不需要測(cè)量任何東西。我會(huì)在一些空白晶圓上測(cè)量它，以確保一切都在控制之中。但材料和結(jié)構(gòu)的重要性現(xiàn)在非常重要，以至于每個(gè)原子都不容忽視。隨著過程中的每一次變化，如果你將溫度升高太多——即使退火過程中的變化很小——也會(huì)改變材料的特性。所以需要監(jiān)控它們。在晶圓的邊緣可能存在不同的密度，表現(xiàn)也會(huì)不同?！?/p>

不同的材料也使得預(yù)測(cè)這些不同的部件如何與其他組件一起工作變得更加困難。

“關(guān)鍵是一致的特性，” Onto Innovation軟件產(chǎn)品管理總監(jiān) Mike McIntyre 說。“選擇小芯片的原因是為了獲得產(chǎn)量和性能的靈活性。因此，雖然銻和鉍等材料有利于通信，但我不想用這些材料構(gòu)建 CPU，因?yàn)樗鼤?huì)影響晶體管的性能。所以我正在根據(jù)最適合該小芯片的技術(shù)構(gòu)建小芯片。從經(jīng)濟(jì)的角度來看，我認(rèn)為chiplets的數(shù)量不會(huì)下降。而且數(shù)字會(huì)上升?！?/p>

設(shè)計(jì)問題

布局對(duì)于這些設(shè)備的功能至關(guān)重要，它涉及許多因素，例如用例、熱膨脹系數(shù)、各種類型的噪聲，以及它們?cè)谝欢螘r(shí)間內(nèi)和在給定功率預(yù)算內(nèi)的性能。

“這個(gè)行業(yè)的現(xiàn)狀就像小芯片，可以由不同的公司單獨(dú)制作的分區(qū)，然后他們一起討論事情，”高級(jí)研究員、研發(fā)副總裁兼 3D 系統(tǒng)集成項(xiàng)目主任 Eric Beyne 說，“這是可行的。但它確實(shí)引入了 PHY 接口，并且不會(huì)減少延遲。所以只能針對(duì)非關(guān)鍵問題這樣做，比如 L3 緩存，而不是 L2 緩存。如果你想進(jìn)入芯片內(nèi)部并在層次結(jié)構(gòu)中更深入到內(nèi)核本身——比如說 L1 或 L2 緩存，那么你可以拆分設(shè)計(jì)，但是不會(huì)為此使用現(xiàn)成的內(nèi)存。它將與你的芯片共同設(shè)計(jì)。因此，EDA 工具需要能夠在布局布線期間同時(shí)處理不同層的 PDK。這是我們一直在與 Cadence 積極合作的事情，他們已經(jīng)發(fā)布了實(shí)際的布局布線工具來滿足我稱之為 3D SoC 的這種深度。從設(shè)計(jì)的角度來看，存在很多挑戰(zhàn)，因?yàn)楸仨氃诙鄬又羞M(jìn)行布局布線。工具本身通常不會(huì)以這種方式工作，因此人必須去引導(dǎo)工具，例如，將內(nèi)存放在一個(gè)層上，將邏輯放在另一個(gè)層上，然后優(yōu)化互連?！?/p>

互連在挑戰(zhàn)列表中也名列前茅。小芯片需要將各個(gè)芯片相互連接，最后連接到封裝中的基板。今年早些時(shí)候發(fā)布的 Universal Chiplet Interconnect Express （UCIe） 標(biāo)準(zhǔn)是朝這個(gè)方向邁出的一步。它結(jié)合了 CXL 和 PCIe 協(xié)議。然而，這種方法在真正“通用”之前還有一段路要走。

物理層是起點(diǎn)?！澳惚仨毎裀HY 做好，” Arteris IP首席營銷官 Michal Siwinski 說?！靶枰_保物理層面有效地運(yùn)作。所以更多大公司聚集在一起。我們需要一到兩種行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方式來將一切聯(lián)系在一起。但要真正做到這一切，你必須能夠以標(biāo)準(zhǔn)化、可重復(fù)的方式做到這一點(diǎn)?！?/p>

集成和連接問題

自 1980 年代以來，將多個(gè)芯片集成到一個(gè)封裝中就已經(jīng)存在，但將現(xiàn)代芯片分解為核心部件，然后將它們集成到一個(gè)封裝中，這比舊的多芯片模塊要困難得多。

“使用單片集成電路的一大好處是連接數(shù)量減少了。你只是在邊緣設(shè)置了 I/O，因此可靠性猛增，” Ansys產(chǎn)品營銷總監(jiān) Marc Swinnen 說道?！暗F(xiàn)在我們要進(jìn)行異構(gòu)集成。我們一直是單體太久了，以至于我們忘記了互連并不是一件好事，現(xiàn)在我們要回到數(shù)百萬個(gè)微小的凸點(diǎn)連接。那將是什么可靠性？”

這些考慮因素會(huì)影響生產(chǎn)的各個(gè)方面，從設(shè)計(jì)到如何進(jìn)行檢驗(yàn)。Synopsys首席架構(gòu)師兼研究員 Yervant Zorian 表示：“我們看到人們對(duì)小芯片很感興趣。“在許多情況下，他們通過 PHY 進(jìn)行通信。如果是邏輯到邏輯的通信，他們正在使用 UCIe。如果它是邏輯到內(nèi)存的小芯片，他們正在使用 HBM，但在這兩種情況下都需要用于診斷、修復(fù)和監(jiān)控的引擎。過去，我們只是為了內(nèi)存而依靠測(cè)試和修復(fù)。今天我們想提前預(yù)測(cè)，不想等到芯片出現(xiàn)故障再去修復(fù)。所以這就是我們想要監(jiān)控的原因。是預(yù)防性維護(hù)。通過監(jiān)控，你可以看到隨著時(shí)間的推移而退化，就會(huì)知道什么時(shí)候會(huì)發(fā)生?！?/p>

這是晶圓代工廠和 IDM 構(gòu)建自己的生態(tài)系統(tǒng)的原因之一。以臺(tái)積電為例，其開發(fā)了一種3DFabric，可用于前后端封裝。要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)商業(yè) chiplet 市場(chǎng)，其中來自多個(gè)供應(yīng)商的 chiplet 是根據(jù)使它們能夠真正即插即用的標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)的，這將困難得多，據(jù)一些業(yè)內(nèi)人士稱，這可能需要十年的時(shí)間。

“當(dāng)我們構(gòu)建這些基于多個(gè)小芯片的系統(tǒng)時(shí)，我們需要驗(yàn)證整個(gè)封裝中小芯片 A 到小芯片 B 到小芯片 C 之間的導(dǎo)電性是否全部正確連接，” CadenceIC 封裝產(chǎn)品管理總監(jiān) John Park 說?！霸?IC 領(lǐng)域，我們稱之為 LVS（版圖與原理圖），但在代工封裝層面也需要應(yīng)用類似的概念。對(duì)于單個(gè)裸片，它并沒有那么復(fù)雜，但是當(dāng)你轉(zhuǎn)移到 FOWLP 中的多個(gè)芯片或小芯片時(shí)，您需要驗(yàn)證所有東西都正確連接在一起。當(dāng)人們將設(shè)計(jì)流程放在一起并盡早考慮時(shí)，這對(duì)人們來說非常重要?！?/p>

最重要的是，小芯片還受到異質(zhì)結(jié)構(gòu)的其他挑戰(zhàn)，例如熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力。

“需要一個(gè)溫度更均勻的芯片，”Swinnen 說?！爱?dāng)在一個(gè)內(nèi)插器上有多個(gè)芯片時(shí)，你會(huì)有不同的溫度，它們會(huì)以不同的方式膨脹。可能會(huì)出現(xiàn)翹曲，并且現(xiàn)在微凸塊非常小，它們的可靠性存在風(fēng)險(xiǎn)。我們知道壓力會(huì)影響晶體管甚至電線的電氣性能。不同的應(yīng)力將對(duì)電氣參數(shù)產(chǎn)生不同的影響?！?/p>

但還有更多挑戰(zhàn)。小芯片面臨著另一個(gè)熟悉的挑戰(zhàn)——模具移位。Cadence 的 Park 說：“解決芯片移位對(duì)于從一個(gè)或兩個(gè)芯片轉(zhuǎn)向可以支持多個(gè)芯片或小芯片的世界至關(guān)重要?！?“你擁有的芯片越多，每個(gè)芯片都會(huì)稍微移動(dòng)一兩度，然后你把六個(gè)放在一起，就再也沒有任何連接了?！?/p>

西門子 EDA的電子行業(yè)經(jīng)理 John Parry指出了類似的問題?！澳忝媾R著多種相互影響的挑戰(zhàn)。從一個(gè)芯片的角度來看可能是一個(gè)好的解決方案，實(shí)際上會(huì)使下一個(gè)芯片的情況變得更糟。如果我可以將更多的熱量從一個(gè)小芯片傳導(dǎo)到基板中，它會(huì)使該芯片變冷，但會(huì)提高基板的溫度，從而提高所有其他芯片的溫度。這是一個(gè)打地鼠問題，你剛解決了一個(gè)問題，它就給你帶來了另一個(gè)領(lǐng)域的問題?！?/p>

好處

不過，還是有好消息。小芯片可以幫助行業(yè)更好地應(yīng)對(duì)熱問題，這些問題已成為高級(jí)架構(gòu)的持久性問題，因?yàn)樵S多現(xiàn)有方法都不是最優(yōu)的。

“熱節(jié)流絕對(duì)是一種降低溫度的機(jī)制，”Amkor高級(jí)工程師 Nathan Whitchurch 說?！暗珱]有人喜歡這樣做，因?yàn)槟闼械墓こ坦ぷ鞫际菫榱藦哪愕脑O(shè)備中獲得盡可能多的功率和盡可能多的性能，只是因?yàn)樽柚顾焕速M(fèi)了。”

小芯片為智能平面規(guī)劃提供了更多機(jī)會(huì)，因此可以避免將邏輯芯片堆疊在邏輯芯片之上等問題，以及隨后的滯熱問題。

“你仍然非常緊密地集成芯片，”Parry 說?！澳闶窃谝粋€(gè)非常高的互連密度基板上做的，但你是在平面內(nèi)做而不是堆疊它們。這使您可以將具有不同材料的不同封裝或不同小芯片組合在一起。它允許您為這些小芯片中的任何一個(gè)使用成本最優(yōu)化的解決方案。它還為低功耗設(shè)計(jì)提供了一些機(jī)會(huì)，因?yàn)橥ㄟ^這種基板設(shè)計(jì)，您可以采用一個(gè)小芯片，并且只為您想要的部分供電，這樣您就不會(huì)最終為您不需要的部分供電需要。在將事物組合在一起方面，您的巧妙程度實(shí)際上是沒有限制的?！?/p>

結(jié)論

盡管在實(shí)現(xiàn)方面存在挑戰(zhàn)，但小芯片的未來似乎充滿希望，尤其是隨著UCIe標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展。Swinnen 說：“chiplet 的想法肯定正在蓬勃發(fā)展。這在商業(yè)領(lǐng)域仍然是一個(gè)夢(mèng)想，但它正在被應(yīng)用。例如，AMD 在他們自己的公司內(nèi)部有一個(gè)小的 chiplet 生態(tài)系統(tǒng)和他們自己的產(chǎn)品?！?/p>

隨著 chiplets 行業(yè)的發(fā)展，JCET 全球技術(shù)營銷高級(jí)總監(jiān) Michael Liu 在一年多前提出的一個(gè)問題仍未解決。“每當(dāng)我們的客戶與我們談?wù)撔⌒酒瑫r(shí)，他們總是會(huì)問這個(gè)問題：‘小芯片在上市時(shí)間方面對(duì)我們有多大幫助？’我們總是發(fā)現(xiàn)為他們量化答案非常具有挑戰(zhàn)性。異構(gòu)集成的整個(gè)價(jià)值鏈尚不明確。這是我們所有人——OSAT、代工廠和 IDM——一路上要考慮的事情?！?/p>

審核編輯 ：李倩