Chiplet通信和橋接技術(shù)：實現(xiàn)下一代異構(gòu)集成

逍遙設(shè)計自動化

引言人工智能、5G/6G網(wǎng)絡(luò)和高性能計算的快速發(fā)展推動了對更復(fù)雜半導(dǎo)體封裝解決方案的需求。Chiplet設(shè)計和異構(gòu)集成成為滿足這些需求的關(guān)鍵方法,與傳統(tǒng)的單片系統(tǒng)芯片(SoC)設(shè)計相比,提供了更高的性能、更低的成本和更大的靈活性。Chiplet架構(gòu)的一個關(guān)鍵方面是Chiplet之間的通信,這通常由各種橋接技術(shù)實現(xiàn)。本文將探討Chiplet的概念、不同的橋接技術(shù)及其在先進(jìn)封裝解決方案中的應(yīng)用[1]。

Chiplet和異構(gòu)集成簡介
Chiplet是可以在單個封裝中組合以創(chuàng)建更復(fù)雜系統(tǒng)的小型專用裸片。這種方法允許對不同組件使用優(yōu)化的制造工藝,并可在單個封裝中混合各種技術(shù)。異構(gòu)集成指的是用于將這些不同Chiplet組合成一個統(tǒng)一系統(tǒng)的封裝技術(shù)。

圖1說明了各種Chiplet設(shè)計和異構(gòu)集成封裝方法,包括芯片分區(qū)、芯片分割以及使用不同中介層技術(shù)的多系統(tǒng)集成。
該圖展示了五種不同的Chiplet設(shè)計和異構(gòu)集成方法:

芯片分區(qū)和異構(gòu)集成

芯片分割和異構(gòu)集成

使用薄膜層的多系統(tǒng)集成

使用無TSV中介層的多系統(tǒng)集成

使用TSV中介層的多系統(tǒng)集成[/ol]
5 T% `* [' H, r. j- T/ v每種方法在成本優(yōu)化、制造良率、形狀因子和性能方面都提供獨特的優(yōu)勢。
, A+ t2 p) B' r0 X4 nChiplet通信的橋接技術(shù)為了實現(xiàn)Chiplet之間的高效通信,開發(fā)了各種橋接技術(shù)。這些橋接作為Chiplet之間的互連,促進(jìn)高速數(shù)據(jù)傳輸和信號完整性。讓我們探討一些目前使用的主要橋接技術(shù)。
4 z+ E6 b7 P7 S: \英特爾的嵌入式多裸片互連橋(EMIB)[/ol]英特爾的EMIB技術(shù)是Chiplet通信的先驅(qū)橋接解決方案之一。EMIB涉及將小型硅橋嵌入到構(gòu)建封裝基板的腔體中。
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1 z. m5 N3 g7 p1 e圖2展示了英特爾的嵌入式多裸片互連橋(EMIB)技術(shù),說明了硅橋如何嵌入到封裝基板中以連接Chiplet。

EMIB技術(shù)提供以下幾個優(yōu)勢:

消除了對大型昂貴硅中介層的需求

實現(xiàn)Chiplet之間的高密度互連

允許混合搭配各種Chiplet技術(shù)
9 o& o! K1 U$ u  \英特爾已成功在Kaby Lake處理器和Agilex FPGA等產(chǎn)品中實施EMIB,展示了其多功能性和性能優(yōu)勢。
9 `# H" n" i  ~& S2. IBM的直接鍵合異構(gòu)集成(DBHi)IBM的DBHi技術(shù)代表了使用硅橋進(jìn)行Chiplet互連的另一種方法。與EMIB不同,DBHi不需要將橋接嵌入基板內(nèi)的腔體中。

, p8 V  l% n& q5 n. ~5 q, h& _* ^圖3說明了IBM的直接鍵合異構(gòu)集成(DBHi)方法,展示了如何使用標(biāo)準(zhǔn)封裝基板上的硅橋連接Chiplet。
DBHi的主要特點包括:

在Chiplet上使用C4凸點,在橋接上使用C2凸點

與EMIB相比,封裝基板設(shè)計更簡單

可能降低制造成本
& E7 e9 I/ K/ g$ @  V5 s: b) `  G3. 臺積電的帶局部硅互連的晶圓級芯片堆疊(CoWoS-L)臺積電開發(fā)了CoWoS-L作為其CoWoS(晶圓級芯片堆疊)技術(shù)的演進(jìn)。CoWoS-L用較小的局部硅互連(LSI)或嵌入環(huán)氧模塑料(emc)中的橋接替代大型硅中介層,并配有重分布層(RDL)。
3 Q. L( b& d. @
! t9 H4 _7 f2 ?5 _+ J% n3 M3 s圖4比較了臺積電傳統(tǒng)的使用TSV中介層的CoWoS技術(shù)(a)與使用嵌入EMC中的LSI橋接和扇出型RDL的新CoWoS-L方法(b)。
0 P, B) J& T% J# o/ L( v& Q
- Y3 G5 u- D& e8 b, Q7 kCoWoS-L提供以下幾個優(yōu)點:

由于硅橋尺寸較小,降低了制造成本

與大型中介層相比,良率提高

保持亞微米銅RDL的高性能互連
  }. a" o; j: `; \/ H% Y% O: @4. 矽品精密的帶TSV的扇出型嵌入式橋接(FO-EB-T)與臺積電的方法類似,矽品精密開發(fā)了FO-EB-T,用嵌入EMC中的硅橋和扇出型RDL替代傳統(tǒng)的TSV中介層。
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圖5展示了矽品精密的FO-EB-T技術(shù)(b)與傳統(tǒng)CoWoS(a)的比較,突出顯示了用嵌入EMC中的橋接和扇出型RDL替代TSV中介層。
FO-EB-T技術(shù)提供:

改善了更大封裝尺寸的可擴展性

通過使用較小的硅橋降低成本

將TSV集成到橋接中以增強連接性
8 }. U' ]6 U9 F0 A7 ^& m混合鍵合橋接技術(shù)橋接技術(shù)中有前途的進(jìn)展是使用混合鍵合來連接Chiplet和橋接。與傳統(tǒng)的基于凸點的互連相比,這種方法提供更高的密度和性能。
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圖6說明了用于連接Chiplet和硅橋的混合鍵合概念,展示了與傳統(tǒng)凸點互連相比,可能實現(xiàn)更高的密度和更好的性能。
混合鍵合橋接提供:

更精細(xì)間距的互連

改善電氣和熱性能

進(jìn)一步縮小封裝尺寸的潛力
8 H0 d; {" X+ z3 Q4 F, e9 Z硅橋的制造工藝硅橋的制造涉及幾個關(guān)鍵步驟,包括創(chuàng)建硅通孔(TSV)和重分布層(RDL)。TSV制造:

圖7概述了用于硅橋的硅通孔(TSV)的制造過程。
7 |& A& d/ b' l& t6 M7 G1 XTSV制造過程通常包括:

絕緣層沉積

光刻和刻蝕以創(chuàng)建通孔

阻擋層和種子層沉積

銅電鍍填充通孔

化學(xué)機械拋光(CMP)去除多余銅[/ol]
RDL制造:在硅橋上創(chuàng)建RDL主要有兩種方法:
1. 聚合物+銅電鍍和蝕刻方法:

% h3 _' |7 K7 ~' I圖8顯示了使用聚合物和銅電鍍/蝕刻技術(shù)的RDL制造過程。
- E7 C( J6 z$ v6 E1 q  a4 P+ N, t這種方法包括:

旋涂聚合物介電材料(如聚酰亞胺或BCB)

光刻和蝕刻以創(chuàng)建通孔開口

銅濺射和電鍍

蝕刻以定義最終RDL圖案
9 m  |& V# _" _2 [6 v$ b: q2. SiO2+銅damascene和CMP方法:

# \& z! b4 o. \$ i3 a圖9說明了使用SiO2介電材料和銅damascene技術(shù)的RDL制造過程。
' E, J! }9 I+ V. H* T4 W這種方法包括:

PECVD沉積SiO2

光刻和蝕刻以創(chuàng)建溝槽和通孔

阻擋層和種子層沉積

銅電鍍

CMP去除多余銅并平坦化表面

使用橋接技術(shù)的先進(jìn)封裝示例幾種高性能產(chǎn)品已成功實施各種橋接技術(shù):1. AMD的Instinct MI250X計算加速器:
2 s, D1 K! O) m+ s) a  a4 z  g
圖10顯示了AMD的Instinct MI250X計算加速器,它使用硅橋?qū)�GPU和HBM存儲器連接在標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建封裝基板上。
2. 蘋果的UltraFusion:

圖11說明了蘋果的UltraFusion技術(shù),該技術(shù)使用硅橋在標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建封裝基板上互連兩個M1 Max芯片。
) p5 ~: D* d# Z7 o* E4 h0 Q/ F5 y3. NVIDIA的H100 GPU:

" ^6 `( L+ \& V" Q$ U" M' `圖12描繪了NVIDIA的H100 GPU,它利用大型TSV中介層將GPU裸片與HBM存儲器堆疊連接。
' s4 g: [* r. F( W這些例子展示了橋接技術(shù)在實現(xiàn)高性能計算解決方案方面的多功能性和可擴展性。
6 d4 U9 X8 r# g通用Chiplet互連快車(UCIe)聯(lián)盟為了促進(jìn)基于Chiplet設(shè)計的互操作性和標(biāo)準(zhǔn)化,成立了通用Chiplet互連快車(UCIe)聯(lián)盟。該行業(yè)組織旨在在封裝級別建立通用互連標(biāo)準(zhǔn)。

- V5 I% o/ T; h圖13顯示了UCIe聯(lián)盟支持的各種封裝方法,包括標(biāo)準(zhǔn)封裝和使用不同橋接技術(shù)的先進(jìn)封裝。
UCIe聯(lián)盟的努力將有助于促進(jìn):

可互操作的多供應(yīng)商生態(tài)系統(tǒng)

標(biāo)準(zhǔn)化的裸片間互連

改善基于Chiplet設(shè)計的靈活性
結(jié)論橋接技術(shù)在實現(xiàn)異構(gòu)集成封裝中Chiplet之間的高效通信方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。從英特爾的EMIB到臺積電的CoWoS-L以及新興的混合鍵合方法,這些技術(shù)不斷發(fā)展以滿足下一代計算系統(tǒng)的需求。隨著業(yè)界向更模塊化和靈活的芯片設(shè)計發(fā)展,像UCIe這樣的標(biāo)準(zhǔn)化努力變得越來越重要。通過利用這些先進(jìn)的橋接技術(shù)并遵守新興標(biāo)準(zhǔn),半導(dǎo)體公司可以創(chuàng)造更強大、更高效和更具成本效益的系統(tǒng),推動下一波技術(shù)創(chuàng)新浪潮。
( P/ _2 e- z5 x參考文獻(xiàn)[1]J. H. Lau, "Chiplet Communications (Bridges)," in Flip Chip, Hybrid Bonding, Fan-In, and Fan-Out Technology. Singapore: Springer Nature Singapore Pte Ltd., 2024, ch. 5, pp. 427-462.

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