IMEC更新|Chiplet互連技術(shù)

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

引言半導(dǎo)體行業(yè)長(zhǎng)期以來(lái)一直依靠摩爾定律推動(dòng)創(chuàng)新，但隨著我們接近晶體管縮放的物理極限，需要新的方法來(lái)繼續(xù)推進(jìn)芯片性能和功能。Chiplet互連技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，正在重塑半導(dǎo)體設(shè)計(jì)和制造的格局。
# }7 ], k# O; F* p3 |; a5 J4 ?本文將探討Chiplet的世界、其優(yōu)勢(shì)以及使其成為可能的前沿互連技術(shù)。研究Chiplet集成的各種方法，包括2.5D和3D技術(shù)，并探討未來(lái)面臨的挑戰(zhàn)和機(jī)遇[1]。
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了解Chiplet
& Y/ k. y' G4 vChiplet是具有特定功能的小型模塊化芯片，可以組合成單個(gè)封裝或系統(tǒng)。可以將其視為半導(dǎo)體世界的樂(lè)高積木——可以混合搭配以創(chuàng)建針對(duì)特定應(yīng)用的復(fù)雜系統(tǒng)的獨(dú)立部件。
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% H" |" h. m7 k8 H& I圖1：此圖說(shuō)明了Chiplet如何提供模塊化系統(tǒng)，將來(lái)自不同供應(yīng)商和技術(shù)節(jié)點(diǎn)的單獨(dú)芯片組合在一起，與傳統(tǒng)的單片系統(tǒng)芯片設(shè)計(jì)形成對(duì)比。
* {( k4 M: p! T2 Y" v2 J$ r3 zChiplet技術(shù)的興起隨著摩爾定律放緩，業(yè)界一直在尋找替代方案，以應(yīng)對(duì)單片系統(tǒng)芯片（SoC）設(shè)計(jì)日益增加的復(fù)雜性和成本。Chiplet通過(guò)允許制造商執(zhí)行以下操作提供了解決方案：

優(yōu)化技術(shù)節(jié)點(diǎn)：不同功能可以使用適當(dāng)?shù)墓に嚰夹g(shù)，平衡性能和成本。

增加靈活性：通過(guò)更換單個(gè)Chiplet，可以更頻繁地更新設(shè)計(jì)。

提高良率：較小、較簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)通常具有較高的良率。

降低成本：新芯片設(shè)計(jì)的入門(mén)成本降低，生產(chǎn)效率提高。[/ol]
+ O. D" O  _) `! t, K+ O: ?Chiplet技術(shù)的應(yīng)用雖然最初在高性能計(jì)算領(lǐng)域獲得關(guān)注，但Chiplet正在進(jìn)入各種應(yīng)用領(lǐng)域：

汽車(chē)行業(yè)：提供可輕松更新或修改的靈活電子架構(gòu)。

移動(dòng)設(shè)備：結(jié)合計(jì)算、無(wú)線(xiàn)通信和顯示驅(qū)動(dòng)器等各種功能。

成像系統(tǒng)：更高效地集成傳感器和處理單元。

內(nèi)存解決方案：允許模塊化和可擴(kuò)展的內(nèi)存配置。

量子計(jì)算：促進(jìn)量子處理單元與經(jīng)典控制電子線(xiàn)路的集成。[/ol]
1 a* u% Q" B* M: Z4 F2 fChiplet互連技術(shù)基于Chiplet的設(shè)計(jì)的成功取決于在各個(gè)Chiplet之間創(chuàng)建密集、高帶寬連接的能力。兩種主要方法已經(jīng)出現(xiàn)：

2.5D集成

3D系統(tǒng)芯片（3D-SoC）
. z6 D: C  Z/ H0 Q: ]* [9 d5 Y* {[/ol]讓我們?cè)敿?xì)探討每種方法。
2.5D集成：中間層方法在2.5D集成中，Chiplet通過(guò)公共基板（稱(chēng)為中間層）并排連接。這種方法允許高密度連接，同時(shí)保持相對(duì)簡(jiǎn)單的制造過(guò)程。
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9 A5 ^* b: q4 y$ ^; O' j& b圖2：此圖展示了不同的2.5D集成方法，包括硅中間層、硅橋接和有機(jī)重分布層（RDL）。

6 ?) }0 D' b% S4 Q2 R; \中間層類(lèi)型：

硅中間層：高性能應(yīng)用的成熟技術(shù)，提供最精細(xì)的間距以及出色的熱學(xué)和電學(xué)性能。但成本和復(fù)雜性較高。

有機(jī)基板：正在獲得關(guān)注的更具成本效益的替代方案。研究人員正在努力實(shí)現(xiàn)與硅中間層相當(dāng)?shù)幕ミB密度。

硅橋接：使用小型硅中間層在邊緣連接Chiplet的混合方法，可能在性能和成本之間取得平衡。[/ol]
2.5D集成中的互連間距：

硅中間層：可實(shí)現(xiàn)亞微米間距

有機(jī)RDL：目前目標(biāo)為2μm間距，未來(lái)有望實(shí)現(xiàn)亞微米間距
2.5D集成中的微凸點(diǎn)：Chiplet通常使用稱(chēng)為微凸點(diǎn)的小型焊料凸點(diǎn)連接到中間層。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)微凸點(diǎn)間距范圍為30μm至50μm，研究正在推動(dòng)實(shí)現(xiàn)10μm甚至5μm的間距。
, s' d0 z; \. s, t2 W0 K3D系統(tǒng)芯片：堆疊實(shí)現(xiàn)終極集成對(duì)于需要最高性能、最小形狀因子或最大系統(tǒng)集成水平的應(yīng)用，3D-SoC提供了一個(gè)引人注目的解決方案。這種方法涉及垂直堆疊Chiplet，創(chuàng)建真正的三維結(jié)構(gòu)。

圖3：此圖展示了晶圓對(duì)晶圓混合鍵合，這是3D-SoC集成的關(guān)鍵技術(shù)，顯示互連間距縮小到400nm。
1 `( A/ A6 I0 `/ G6 v/ f3D-SoC的關(guān)鍵技術(shù)：

晶圓對(duì)晶圓混合鍵合：該技術(shù)允許在堆疊層之間創(chuàng)建極細(xì)間距的連接。IMEC使用SiCN作為鍵合介電質(zhì)的方法已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了700nm的間距，未來(lái)有望實(shí)現(xiàn)400nm甚至200nm的間距。

芯片對(duì)晶圓鍵合：雖然無(wú)法達(dá)到與晶圓對(duì)晶圓鍵合相同的間距密度，但這種方法在組合不同Chiplet方面提供了更大的靈活性。[/ol]
3D-SoC的優(yōu)勢(shì)：

超高密度互連

縮小形狀因子

可能降低功耗并提高性能

能夠?qū)�Chiplet集成為單個(gè)芯片
Chiplet互連技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)Chiplet提供了許多優(yōu)勢(shì)，但仍需解決幾個(gè)挑戰(zhàn)：

熱管理：堆疊Chiplet可能導(dǎo)致熱密度增加，需要?jiǎng)?chuàng)新的散熱解決方案。

供電：確�？缍鄠�(gè)Chiplet的充分電力分配，尤其是在3D堆疊中，這一點(diǎn)尤為重要。

測(cè)試和已知良品（KGD）：開(kāi)發(fā)有效的測(cè)試策略對(duì)單個(gè)Chiplet和組裝系統(tǒng)的良率和可靠性來(lái)說(shuō)很重要。

標(biāo)準(zhǔn)化：確保來(lái)自不同供應(yīng)商的Chiplet之間的兼容性和通信需要全行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。[/ol]
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圖4：此圖展示了IMEC的3D互連路線(xiàn)圖，總結(jié)了連接Chiplet的不同方法以及預(yù)計(jì)的互連密度和間距。

2 M7 i. Y! @2 eChiplet互連技術(shù)的未來(lái)隨著半導(dǎo)體行業(yè)不斷發(fā)展，Chiplet互連技術(shù)有望在保持創(chuàng)新步伐方面發(fā)揮重要作用。幾個(gè)趨勢(shì)正在塑造這項(xiàng)技術(shù)的未來(lái)：

間距縮�。撼掷m(xù)努力減小互連間距將實(shí)現(xiàn)更高的帶寬和更緊湊的設(shè)計(jì)。

先進(jìn)封裝：開(kāi)發(fā)新的材料和工藝用于中間層和混合鍵合將提高性能并降低成本。

異構(gòu)集成：結(jié)合來(lái)自不同工藝節(jié)點(diǎn)甚至不同材料（例如硅和III-V族半導(dǎo)體）的Chiplet將實(shí)現(xiàn)新的應(yīng)用和提高性能。

人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)：基于Chiplet的設(shè)計(jì)非常適合AI加速器，允許模塊化和可擴(kuò)展的架構(gòu)。

量子-經(jīng)典集成：Chiplet可能會(huì)縮小量子處理單元和經(jīng)典控制電子線(xiàn)路之間的差距，加速實(shí)用量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展。
[/ol]結(jié)論Chiplet互連技術(shù)代表了半導(dǎo)體設(shè)計(jì)和制造的范式轉(zhuǎn)變。通過(guò)將復(fù)雜系統(tǒng)分解為模塊化、可重用的組件，Chiplet為面對(duì)晶體管縮放放緩的情況下繼續(xù)創(chuàng)新提供了途徑。2.5D和3D集成技術(shù)的結(jié)合，以及互連技術(shù)的進(jìn)步，正在實(shí)現(xiàn)芯片設(shè)計(jì)中新水平的性能、效率和靈活性。
$ p5 c2 E8 D% X2 v" K隨著業(yè)界繼續(xù)投資Chiplet技術(shù)，可以期待在互連密度、熱管理和系統(tǒng)集成方面取得更加令人印象深刻的成就。半導(dǎo)體的未來(lái)是模塊化的，Chiplet互連技術(shù)正在為下一代電子系統(tǒng)開(kāi)辟新的機(jī)遇。
6 [; G3 `5 M/ Q! V參考來(lái)源[1] F. Author, "Chiplet Interconnect Technology: Piecing Together the Next Generation of Chips," 3D InCites, Jul. 2024. [Online]. Available: https://www.3dincites.com/2024/07/chiplet-interconnect-technology-piecing-together-the-next-generation-of-chips/. [Accessed: Aug. 25, 2024].

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