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

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發(fā)表于 2024-9-3 08:02:00 | 只看該作者 |只看大圖 回帖獎勵 |倒序?yàn)g覽 |閱讀模式
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(shí)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]。$ Y& G. E, r) Z$ {+ C+ i
" x' h$ M3 B0 b% ?- P1 k6 a
Chiplet和異構(gòu)集成簡介
' w1 b9 R4 u+ A* q: l4 `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)。
6 _; S: \  _  r, K
* N7 ]4 F  w/ G3 B4 V; q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。
  c0 _% j, d( F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]$ O6 {6 _$ A! z# W  z$ ^
    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(dú)特的優(yōu)勢。  ^2 x- X: o8 q8 p4 j
    Chiplet通信的橋接技術(shù)為了實(shí)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)。% w) W7 ^8 G+ K0 o; k( X6 C# t
    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。
    0 N- E! j; ~, C- V
    6 X: ~8 \: g2 E. I3 p0 d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。
    ( D# j2 w; D' K! m4 s
    5 u9 W; j. a9 D! d& a% S
    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(shí)現(xiàn)Chiplet之間的高密度互連
  • 允許混合搭配各種Chiplet技術(shù)9 s7 j+ e1 p) u, [- O) h/ o! `) Y' f
    英特爾已成功在Kaby Lake處理器和Agilex FPGA等產(chǎn)品中實(shí)施EMIB,展示了其多功能性和性能優(yōu)勢。
    7 F1 M0 |( h7 E2. 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。7 i4 j  p* J7 f" }- w& d% f8 i
    0 K3 S+ m/ W8 E1 B* c
    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。# ~' d+ c' C: E0 K
    DBHi的主要特點(diǎn)包括:
  • 在Chiplet上使用C4凸點(diǎn),在橋接上使用C2凸點(diǎn)
  • 與EMIB相比,封裝基板設(shè)計更簡單
  • 可能降低制造成本2 r9 C* P) `( V4 |* j# Z
    3. 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)。
    . f4 w4 x' p0 G7 @. A* Z4 \
    * M5 a/ b) I: J  h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 `7 P! r- [! F1 E

    9 q9 s% q- T. S$ b, R3 P
    CoWoS-L提供以下幾個優(yōu)點(diǎn):
  • 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) D7 F0 H+ e0 F0 C% P) \/ `8 C; I
    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。
    % g$ |( A6 n4 \6 P: ]
    # t8 `( W" r. N8 k0 Z9 k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。0 h2 ~" p8 `; b% c
    FO-EB-T技術(shù)提供:
  • 改善了更大封裝尺寸的可擴(kuò)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(qiáng)連接性8 k# _. m% N3 q& x, U$ _. A8 U
    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(diǎn)的互連相比,這種方法提供更高的密度和性能。5 h1 U3 Y# V2 a' J/ @

    ' o% H) I% U( n" }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(diǎn)互連相比,可能實(shí)現(xiàn)更高的密度和更好的性能。
    - f$ ^5 n- n- H9 o) a# D3 g% B& r' `7 E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
    9 O' R4 g( t- }' b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:
    $ k7 `- ~& h) Z" Z* z2 X, q# A; j : _- A4 I" |6 S- J/ m# f  Z
    圖7概述了用于硅橋的硅通孔(TSV)的制造過程。
    ' ^1 Z8 h2 I7 f" M' jTSV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(jī)械拋光(CMP)去除多余銅[/ol]
    9 W+ F9 L& p/ O% w$ p
    RDL制造:在硅橋上創(chuàng)建RDL主要有兩種方法:
    $ k2 l! J/ f: I# R3 \: [9 w1. 聚合物+銅電鍍和蝕刻方法:; ~2 O1 r0 z2 l# i5 n9 Z) H' b2 {

    / E9 K& y) G( a- v2 |# q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 a4 `$ I0 r6 r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6 Z* [% I2 ?/ _; q. y* ^' P8 }; [
    2. SiO2+銅damascene和CMP方法:
    7 w7 z8 K4 y# x, N 9 A, i# K) H( F& U! b% U' r
    圖9說明了使用SiO2介電材料和銅damascene技術(shù)的RDL制造過程。1 p. f( S! {' |' u( y9 ]
    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
    & ^! ]+ j9 C3 u, ~2 V- b) u# d' o9 ^9 H3 V# u9 K0 P9 O- B
    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(shí)施各種橋接技術(shù):1. AMD的Instinct MI250X計算加速器:
    3 L& k3 e; @1 S- X. P# V* X ' q! j- {# v+ @! ]
    圖10顯示了AMD的Instinct MI250X計算加速器,它使用硅橋?qū)PU和HBM存儲器連接在標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建封裝基板上。0 m4 g' T; K% Z" J
    2. 蘋果的UltraFusion:5 }' q$ ?7 S2 h

    , A4 W3 D% W: V" [" K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。
    * j) @# ]5 Y/ U- S' X8 O3. NVIDIA的H100 GPU:
    * \. u  i) n( ] . U% U& B+ k) d; C$ F$ E, a4 |
    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。
    3 g0 r8 u/ |$ \" C  W這些例子展示了橋接技術(shù)在實(shí)現(xiàn)高性能計算解決方案方面的多功能性和可擴(kuò)展性。
    5 I9 r2 |$ L! R" i( O- c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)。( T4 ]  g% ?- D4 k( A1 e* ~
    0 S0 r" x$ l3 M' K5 w, X) b
    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。
    : t6 l8 ~1 e( [  QUCIe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9 W2 @) G; p6 y
    結(jié)論橋接技術(shù)在實(shí)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(qiáng)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。
    - O4 |. y/ `4 }( ?3 P) f! r; e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. 427-462.7 w. z8 ^5 R2 M$ e

    * ^( T: F/ ]0 ]$ p& y8 E- _/ A- END -. f. }3 l4 Q2 d
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    - o, @6 ?3 S  [- j4 A: Q點(diǎn)擊左下角"閱讀原文"馬上申請4 h2 s" l+ u2 N. Z  W0 U; G
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    ( k+ X; Z6 s1 w. S( c轉(zhuǎn)載請注明出處,請勿修改內(nèi)容和刪除作者信息!7 ]3 W6 k  i0 t0 L7 k; {
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    ' b6 @5 Z* m5 z: [深圳逍遙科技有限公司(Latitude Design Automation Inc.)是一家專注于半導(dǎo)體芯片設(shè)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(shè)計和仿真軟件,提供成熟的設(shè)計解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio,分別針對光電芯片、微機(jī)電系統(tǒng)、超透鏡的設(shè)計與仿真。我們提供特色工藝的半導(dǎo)體芯片集成電路版圖、IP和PDK工程服務(wù),廣泛服務(wù)于光通訊、光計算、光量子通信和微納光子器件領(lǐng)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(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展,致力于為客戶提供前沿技術(shù)與服務(wù)。
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