Chiplet異構集成概述

逍遙設計自動化

引言隨著摩爾定律接近極限，半導體行業(yè)正在探索新方法來持續(xù)提高集成線路的性能、功率效率和成本效益。Chiplet異構集成將傳統(tǒng)的片上系統(tǒng)（SoC）設計重新設計為更小的功能塊，稱為Chiplet。本文將探討Chiplet異構集成的概念、優(yōu)勢、挑戰(zhàn)以及各種實現(xiàn)技術。
' \4 T' A& b( F; e什么是Chiplet?Chiplet是功能性集成線路塊，通常由可重用的IP（知識產(chǎn)權）塊組成。與將所有功能集成到單個整體芯片的傳統(tǒng)SoC不同，基于Chiplet的設計將這些功能分割成獨立的較小芯片，可以使用不同的工藝制造，然后使用先進的封裝技術集成。


9 t- f$ Z# r, F- n0 w圖1：兩種Chiplet異構集成方法：（a）芯片分割和集成，（b）芯片分區(qū)和集成。
/ a7 [1 |% q, s& C. }/ d$ E  i5 fChiplet異構集成的優(yōu)勢1. 良率提升：較小的芯片具有更高的良率，從而降低制造成本。圖2說明了這一概念：

2 l) w' Y7 A8 U7 a9 H7 p圖2：整體設計和各種Chiplet設計的良率與芯片尺寸的關系。
& [' H* C1 `" n2 j2. 上市時間：芯片分區(qū)可以加快開發(fā)速度。
3. 成本降低：AMD證明，使用Chiplet進行CPU核心設計可以將32核CPU的硅設計和制造成本降低最多40%。
4. 散熱優(yōu)勢：將芯片分散在封裝中可以改善熱管理。
% [9 N1 u: f$ ^Chiplet異構集成的挑戰(zhàn)

接口和復制邏輯需要額外面積

更高的封裝成本

增加的復雜性和設計工作

需要適合Chiplet設計的新方法[/ol]
用于Chiplet集成的先進封裝技術為支持Chiplet異構集成，出現(xiàn)了幾種先進的封裝技術：1. 有機基板上的2D Chiplet集成：這種方法將Chiplet并排放置在有機基板上。AMD的EPYC處理器使用了這種技術。
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圖3：AMD第二代EPYC在有機基板上的2D Chiplet異構集成。
2. 有機基板上的2.1D Chiplet集成：這種方法在有機基板上添加薄膜層，以提高互連密度。新光電氣的i-THOP（集成薄膜高密度有機封裝）是這種技術的一個例子。
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  S7 S  f! o+ M( s- a1 W+ q' i圖4：新光電氣在有機基板上的2.1D Chiplet異構集成。
9 j8 m; c" ~& u) h$ C硅中介層上的2.5D Chiplet集成這種技術使用帶有硅通孔（TSV）的無源硅中介層來連接Chiplet。臺積電的晶圓級封裝（CoWoS）是一個突出的例子。
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5 j5 ^6 N1 L1 B  a3 y3 p圖5：在無源TSV中介層上的2.5D（CoWoS-2） Chiplet異構集成。
  X4 t5 I7 e/ i" }1 H3D Chiplet集成這種方法使用帶有TSV的有源中介層垂直堆疊Chiplet。英特爾的Foveros技術是這種技術的主要代表。
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4 D& X1 n4 ^8 D8 k6 R9 X; Q, I圖6：英特爾的3D Chiplet異構集成（Foveros）。
帶硅橋的Chiplet集成這種方法在有機基板中嵌入硅橋來連接Chiplet。英特爾的EMIB（嵌入式多芯片互連橋）使用了這種方法。
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" M" i! b5 e! w' T, H圖7：英特爾在帶硅橋的有機基板上的Chiplet異構集成（Agilex FPGA）。
封裝疊加（PoP） Chiplet集成這種技術垂直疊加封裝，通常結合邏輯和存儲Chiplet。蘋果的A系列處理器使用這種方法，結合臺積電的InFO（集成扇出）技術。

; W& K- ~' `! Z6 H, @& I& @圖8：蘋果iPhone的PoP InFO Chiplet異構集成。
% |; b  H/ y1 r, f. J案例研究：1. AMD的EPYC處理器：AMD的第二代EPYC服務器處理器展示了Chiplet設計的強大功能。通過使用Chiplet，AMD實現(xiàn)了比整體設計更高的核心數(shù)和性能，同時還降低了成本。
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圖9：AMD的芯片成本比較：Chiplet（7 nm + 12 nm）與整體（7 nm）。
2. 英特爾的Lakefield處理器：英特爾的Lakefield移動處理器使用Foveros 3D封裝技術垂直堆疊Chiplet。這種方法可以在適合移動設備的緊湊形態(tài)下實現(xiàn)高性能。

圖10：使用Foveros技術的英特爾Lakefield移動處理器。

圖11：Lakefield處理器橫截面的掃描電子顯微鏡圖像。
  u2 V; `- K3 u  @: R未來趨勢半導體行業(yè)在Chiplet集成技術方面不斷創(chuàng)新，些新興趨勢包括：1. 更細的互連間距：英特爾已經(jīng)展示了10 μm間距的混合鍵合技術，相比Lakefield使用的50 μm間距有了顯著提升。
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7 |9 z3 a( a: t5 d圖12：英特爾的Foveros技術：微凸點（50 μm間距）和無凸點（10 μm間距）技術對比。
2. 3DFabric集成：臺積電的3DFabric技術為Chiplet集成提供全面的平臺，涵蓋前端到后端的工藝。
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圖13：臺積電3DFabric集成概念。
5 v$ b9 f2 c8 Q6 B2 x) X3. 混合鍵合：臺積電的集成芯片系統(tǒng)（SoIC）技術使用混合鍵合進行芯片到芯片和芯片到晶圓的集成，與傳統(tǒng)的微凸點方法相比，提供了更好的熱性能和能量性能。

圖14：SoIC與傳統(tǒng)3D IC的熱性能和能量性能比較。
結論Chiplet異構集成代表了半導體設計和封裝的范式轉變。通過將復雜系統(tǒng)分解為更小、更易管理的Chiplet，制造商可以優(yōu)化性能、降低成本并縮短上市時間。雖然在標準化和設計工具方面仍然存在挑戰(zhàn)，但基于Chiplet設計的潛在優(yōu)勢正在推動行業(yè)快速創(chuàng)新。
, ^: l- b& K& t1 m6 U2 Y* P展望未來，可以預期Chiplet集成技術將繼續(xù)進步，包括更細的互連間距、改進的熱管理和更復雜的3D集成技術。AMD EPYC處理器和英特爾Lakefield等產(chǎn)品的成功證明了基于Chiplet設計的可行性和潛力。
) J& }" }/ Z; T0 ^% ^! M' n6 F對于希望利用Chiplet技術的公司來說，權衡不同集成方法之間的利弊，并選擇最適合其特定應用需求、性能目標和成本限制的方法非常重要。隨著生態(tài)系統(tǒng)的成熟和標準的出現(xiàn)，Chiplet異構集成將在塑造半導體設計和制造的未來方面發(fā)揮重要作用。
參考文獻J. H. Lau, "Semiconductor Advanced Packaging," Singapore: Springer Nature Singapore Pte Ltd., 2021.

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