來源：芯片封裝綜述

本期分享王翰華、崔忠杰兩位標題為《先進封裝驅動下的片上互連技術發展態勢研究》文章摘選內容。

隨著臺積電在 2011年推出第一版 2.5D 封裝平臺 CoWoS、海力士在 2014 年與 AMD 聯合發布了首個使用 3D 堆疊的高帶寬存儲(HBM)芯片，先進封裝技術帶來的片上互連拓撲結構的改變和帶來的集成能力的提升，成為當前片上互連技術發展的主要驅動因素。

一、片上互連技術前期總體發展歷程

早期芯片內部主要使用金屬鋁作為互連材料，隨著集成電路特征尺寸的不斷縮小，鋁互連線的缺陷逐漸顯現，1997年IBM公司開發出了銅互連技術，銅的電阻比鋁低約40%，可靠性比鋁高100倍，并成為集成電路片上互連的主要材料。自此之后，在先進封裝技術得到大規模關注與應用之前，十數年時間內，互連架構創新成為片上互連領域的創新重點。下圖為片上互連技術前期總體發展歷程示意圖。

二、前沿互連技術

基于金屬線和電信號的有線互連長期以來都是芯片級通信的最主要手段。然而，隨著品體管的縮小，布線層的面積減小，導致導線厚度和間距的減小，使得導線電阻和電容增大，帶來更高的延遲和功耗。盡管目前金屬有線互連仍是芯片內部核心間最常用的連接方式,但先進封裝技術的規模化應用使得異構集成變得更為容易，隨著多核系統未來的演進，光互連和無線片上網絡有望成為新興的技術趨勢。

(1)光互連

與電信號相比，光通信具有高帶寬、低延遲和低損耗等優勢，已被廣泛應用于數據中心的服務器間數據通信領域和電信網絡的承載網絡領域。

自21世紀初期起，學術界就開始探索光互連技術在芯片片上互連領域的應用，但工程化問題長期并未獲得解決。直至基于硅基光子學的光芯片技術越加成熟，先進封裝技術得以規模應用后，在光計算尚未成熟的情況下，先進封裝技術帶來的異質集成能力，使得光互連有望早于光計算實現應用，將基于電信號的計算芯粒和基于光信號的 ONOC芯片集成在同一個封裝內部，如下圖所示，彼此通過基于 TSV 的電信號連接，光電轉換模塊利用外接的激光器將電信號攜帶的數據調制到光信號之上，并進行調制后的光信號輸入光網絡之中,在接收信號時光電轉換模塊則將光網絡傳輸來的光信號經探測器轉換為電信號。經放大后發送回計算芯粒,這一方式能夠有效在繼承電計算生態的同時利用光互連帶來的大帶寬、低功耗特性。

ONOC 還需解決生態問題，加速技術方案成熟，支撐未來規模化應用。光子器件溫度敏感，激光器組件易產熱，需額外熱管理設計。在光計算普及前，信號處理仍需要依賴電器件完成，ONOC 在信號傳輸前后需要經過電光轉換和光電轉換，而這些轉換過程會引入額外的延遲和功耗，可能抵消部分ONOC的性能優勢。盡管如此，隨著技術的不斷革新，ONOC正逐步展現出其作為未來高性能計算和通信芯片核心解決方案的巨大潛力。

(2)無線互連

無線通信技術通過射頻信號進行數據傳輸，使用自由空間作為通信傳輸介質，與傳統的有線互連相比，能夠避免復雜的物理布線過程，在芯片內部，由于工藝的不斷微縮，布線空間日益緊張，而無線通信技術在此背景下展現出了其獨特的應用潛力。

與有線通信主要支持一對一的單播互連方式不同，無線通信還可以實現一對多的多播通信，可以在一對多的數據通信場景中提高傳播效率，減少由于阻塞造成的延遲。下圖為片上無線互連示意圖。

無線通信方式面臨功耗高、噪聲干擾頻繁及設計復雜等挑戰。芯片內部的無線通信可能受到電磁干擾的影響，尤其是在高密度集成的環境中，多個天線同時工作可能導致信號沖突和噪聲問題，需要設計高效的抗干擾機制和多信道管理策略。

芯片上集成微型天線要求高精度制造工藝，天線性能(增益、方向性等)直接影響通信質量，其尺寸與布局需與芯片其他組件協調，從而增加了設計難度。在短距離通信中，無線通信的功耗也可能高于有線互連，需要進一步優化器件能耗。

預計在更遠的未來，隨著封裝內芯粒規模的不斷提升，有限的布線空間難以承載愈發復雜多樣的互連需求，過于復雜的網絡結構導致由于路由帶來的延遲問題更加嚴重，權衡利弊下屆時無線互連在穩定性和速率方面的劣勢可能將不再重要，無線互連不占用布線空間的優勢將得以凸顯，或將能夠被產業界接受，扮演有線互連的輔助角色。