IMEC更新|Chiplet互連技術

逍遙設計自動化

引言半導體行業(yè)長期以來一直依靠摩爾定律推動創(chuàng)新，但隨著我們接近晶體管縮放的物理極限，需要新的方法來繼續(xù)推進芯片性能和功能。Chiplet互連技術應運而生，正在重塑半導體設計和制造的格局。
$ N. a* }# Q+ W4 Z% Y- T& `本文將探討Chiplet的世界、其優(yōu)勢以及使其成為可能的前沿互連技術。研究Chiplet集成的各種方法，包括2.5D和3D技術，并探討未來面臨的挑戰(zhàn)和機遇[1]。

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' i+ M2 l# y# I  T了解Chiplet
6 c- w# k& j  K- Z; rChiplet是具有特定功能的小型模塊化芯片，可以組合成單個封裝或系統(tǒng)�？梢詫⑵湟暈榘雽�體世界的樂高積木——可以混合搭配以創(chuàng)建針對特定應用的復雜系統(tǒng)的獨立部件。
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* e! R$ K+ i" o  N圖1：此圖說明了Chiplet如何提供模塊化系統(tǒng)，將來自不同供應商和技術節(jié)點的單獨芯片組合在一起，與傳統(tǒng)的單片系統(tǒng)芯片設計形成對比。
Chiplet技術的興起隨著摩爾定律放緩，業(yè)界一直在尋找替代方案，以應對單片系統(tǒng)芯片（SoC）設計日益增加的復雜性和成本。Chiplet通過允許制造商執(zhí)行以下操作提供了解決方案：

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

增加靈活性：通過更換單個Chiplet，可以更頻繁地更新設計。

提高良率：較小、較簡單的設計通常具有較高的良率。

降低成本：新芯片設計的入門成本降低，生產(chǎn)效率提高。[/ol]
Chiplet技術的應用雖然最初在高性能計算領域獲得關注，但Chiplet正在進入各種應用領域：

汽車行業(yè)：提供可輕松更新或修改的靈活電子架構。

移動設備：結合計算、無線通信和顯示驅(qū)動器等各種功能。

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：允許模塊化和可擴展的內(nèi)存配置。

量子計算：促進量子處理單元與經(jīng)典控制電子線路的集成。[/ol]
Chiplet互連技術基于Chiplet的設計的成功取決于在各個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）
- B" l7 h  q) v1 ^! |[/ol]讓我們詳細探討每種方法。
8 d, h4 |0 f1 K. \9 d2.5D集成：中間層方法在2.5D集成中，Chiplet通過公共基板（稱為中間層）并排連接。這種方法允許高密度連接，同時保持相對簡單的制造過程。
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% @) W$ V, G  j( O) `1 k圖2：此圖展示了不同的2.5D集成方法，包括硅中間層、硅橋接和有機重分布層（RDL）。

( c- q1 Q% K; C' f中間層類型：

硅中間層：高性能應用的成熟技術，提供最精細的間距以及出色的熱學和電學性能。但成本和復雜性較高。

有機基板：正在獲得關注的更具成本效益的替代方案。研究人員正在努力實現(xiàn)與硅中間層相當?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]
! f' L6 H/ d( _) }2.5D集成中的互連間距：

硅中間層：可實現(xiàn)亞微米間距

有機RDL：目前目標為2μm間距，未來有望實現(xiàn)亞微米間距
2.5D集成中的微凸點：Chiplet通常使用稱為微凸點的小型焊料凸點連接到中間層。行業(yè)標準微凸點間距范圍為30μm至50μm，研究正在推動實現(xiàn)10μm甚至5μm的間距。
3D系統(tǒng)芯片：堆疊實現(xiàn)終極集成對于需要最高性能、最小形狀因子或最大系統(tǒng)集成水平的應用，3D-SoC提供了一個引人注目的解決方案。這種方法涉及垂直堆疊Chiplet，創(chuàng)建真正的三維結構。
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5 L* a* g0 ?3 B0 k, z圖3：此圖展示了晶圓對晶圓混合鍵合，這是3D-SoC集成的關鍵技術，顯示互連間距縮小到400nm。
3D-SoC的關鍵技術：

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

芯片對晶圓鍵合：雖然無法達到與晶圓對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：

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集成為單個芯片
2 _; O% q6 E/ I3 X7 n( `$ ?) b1 S# z7 TChiplet互連技術面臨的挑戰(zhàn)Chiplet提供了許多優(yōu)勢，但仍需解決幾個挑戰(zhàn)：

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

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

測試和已知良品（KGD）：開發(fā)有效的測試策略對單個Chiplet和組裝系統(tǒng)的良率和可靠性來說很重要。

標準化：確保來自不同供應商的Chiplet之間的兼容性和通信需要全行業(yè)標準。[/ol]

& y! O8 x& [, r. g/ ?圖4：此圖展示了IMEC的3D互連路線圖，總結了連接Chiplet的不同方法以及預計的互連密度和間距。

Chiplet互連技術的未來隨著半導體行業(yè)不斷發(fā)展，Chiplet互連技術有望在保持創(chuàng)新步伐方面發(fā)揮重要作用。幾個趨勢正在塑造這項技術的未來：

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

先進封裝：開發(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。

異構集成：結合來自不同工藝節(jié)點甚至不同材料（例如硅和III-V族半導體）的Chiplet將實現(xiàn)新的應用和提高性能。

人工智能和機器學習：基于Chiplet的設計非常適合AI加速器，允許模塊化和可擴展的架構。

量子-經(jīng)典集成：Chiplet可能會縮小量子處理單元和經(jīng)典控制電子線路之間的差距，加速實用量子計算機的發(fā)展。
[/ol]結論Chiplet互連技術代表了半導體設計和制造的范式轉變。通過將復雜系統(tǒng)分解為模塊化、可重用的組件，Chiplet為面對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集成技術的結合，以及互連技術的進步，正在實現(xiàn)芯片設計中新水平的性能、效率和靈活性。
( `9 y) M0 |. M  D. q! W$ @. o隨著業(yè)界繼續(xù)投資Chiplet技術，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。半導體的未來是模塊化的，Chiplet互連技術正在為下一代電子系統(tǒng)開辟新的機遇。
參考來源[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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8 I- t& f1 X" w4 O8 p. g深圳逍遙科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家專注于半導體芯片設計自動化（EDA）的高科技軟件公司。我們自主開發(fā)特色工藝芯片設計和仿真軟件，提供成熟的設計解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分別針對光電芯片、微機電系統(tǒng)、超透鏡的設計與仿真。我們提供特色工藝的半導體芯片集成電路版圖、IP和PDK工程服務，廣泛服務于光通訊、光計算、光量子通信和微納光子器件領域的頭部客戶。逍遙科技與國內(nèi)外晶圓代工廠及硅光/MEMS中試線合作，推動特色工藝半導體產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，致力于為客戶提供前沿技術與服務。

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