Marvell | 異構集成的技術路線圖

逍遙設計自動化

引言
半導體行業(yè)長期依賴技術路線圖來指導其發(fā)展并促進合作。這一傳統(tǒng)始于1993年的美國國家半導體技術路線圖（NTRS），后來演變?yōu)閲�際半導體技術路線圖（ITRS）。如今，隨著進入半導體技術的新時代，異構集成路線圖（HIR）成為焦點，應對將多樣化組件集成到統(tǒng)一系統(tǒng)中的挑戰(zhàn)和機遇[1]。
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+ V% Y# _7 F0 K& S4 \技術路線圖的演變
, a3 W1 [  r- m, h7 s0 F半導體技術路線圖的旅程始于戈登·摩爾博士在德克薩斯州歐文組織的一次富有遠見的研討會。這次活動匯集了179位技術專家，共同創(chuàng)造了行業(yè)未來的愿景。1993年發(fā)布的NTRS成為第一個開源半導體技術路線圖。

9 Y$ `  S! m3 R# F% O圖1：展示AMD的3.5D 封裝。

隨著行業(yè)全球化，NTRS擴展為包括國際合作的ITRS，始于1998年。這項全球努力持續(xù)到2016年，ITRS的最后一版發(fā)布。認識到持續(xù)合作的重要性，ITRS的異構集成團隊決定繼續(xù)推進路線圖工作，聚焦于摩爾定律進展的下一個時代和電子技術復興。

# U/ T1 n6 o/ q* b$ i: P8 U1 l" r理解異構集成
. ]6 d/ B4 w' f( O4 Z異構集成指將不同組件組裝成更高級系統(tǒng)。這種方法包括多個方面：

材料：集成具有不同特性的材料。

組件類型：結合集成電路、光電子技術、微機電系統(tǒng)和傳感器。

線路類型：整合DRAM、Serdes、邏輯、射頻和電源線路。

硅節(jié)點：集成來自不同工藝技術的組件。

鍵合和互連方法：利用各種技術連接組件。
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圖2：展示了復雜的異構集成例子，顯示多個Chiplet堆疊在有源中間層上。

+ H# H5 o4 q9 v$ B0 w2 h+ qHIR涵蓋廣泛主題，組織成幾個關鍵領域：

集成過程

異構集成組件

系統(tǒng)和市場應用

跨領域主題
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這些領域進一步分為23個章節(jié)，涵蓋從單芯片集成到新興研究材料和安全考慮的各個方面。
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+ {( \! Z! X% R2 `圖3：顯示異構集成路線圖的結構，展示其各個章節(jié)和重點領域。

異構集成的挑戰(zhàn)和機遇
3 P# a' p/ x% s* L隨著行業(yè)向更復雜的集成系統(tǒng)發(fā)展，新的挑戰(zhàn)出現(xiàn)。最關鍵的領域之一是可靠性。異構集成引入了新的多尺度芯片封裝相互作用和多物理失效模式，需要解決。
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圖4：顯示異構集成系統(tǒng)的可靠性浴盆曲線，說明多個競爭性失效模式。

為應對這些挑戰(zhàn)，行業(yè)正在開發(fā)新的方法來管理可靠性。這些方法結合了自下而上的物理模型和自上而下的大數(shù)據(jù)分析。目標是創(chuàng)建"數(shù)字孿生"——物理系統(tǒng)的虛擬表示，可以預測和管理產品整個生命周期的可靠性。
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圖5：展示了管理可靠性的"數(shù)字孿生"概念，顯示自下而上和自上而下方法的融合。
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HIR概述了未來15年可靠性進展的路線圖：

1-5年：開發(fā)多物理融合方法用于可靠性保證，結合基于物理和機器學習的工具。

5-10年：為下一代穩(wěn)健HI系統(tǒng)的協(xié)同設計和預測健康管理（PHM）創(chuàng)建融合方法，關注容錯和彈性設計。

10-15年：發(fā)展到具有集成自主生命周期管理能力的智能、自適應和可重構產品，包括自我認知和自我修復系統(tǒng)。
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熱管理：關鍵挑戰(zhàn)
6 H2 k$ ~1 q8 J. ^3 N3 o: B隨著系統(tǒng)集成度越來越高，熱管理變得越來越重要。HIR確定了熱技術進步的幾個關鍵領域：

熱界面材料：開發(fā)更高效的材料用于組件間的熱傳遞。

高性能計算多芯片模塊的系統(tǒng)熱限制：推動高性能計算應用的冷卻邊界。

嵌入式液體冷卻：探索芯片和芯片堆疊的先進冷卻技術。

先進熱材料：研究具有優(yōu)異熱性能的新材料。

熱機械建模：開發(fā)更好的工具來預測和管理異構系統(tǒng)中的熱應力。
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圖6：概述了異構集成的先進熱技術和研究領域。
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! m- x# o% U  A* y3 c9 ^- ^, L協(xié)同設計：整體方法
為充分實現(xiàn)異構集成的潛力，協(xié)同設計方法不可或缺。這種方法同時考慮系統(tǒng)設計的各個方面，包括：

布局和布線

架構

電磁和電氣考慮

熱管理

智能材料

測試和可靠性

機械考慮
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% Z& @# _# j/ v4 {圖7：顯示多尺度和多物理芯片封裝相互作用（CPI）流程，說明異構集成中協(xié)同設計的復雜性。
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協(xié)同設計方法需要大量基礎設施和研究支持。大學在通過研究和人才培養(yǎng)推動該領域發(fā)展方面發(fā)揮關鍵作用。此外，開源工具和行業(yè)標準等共享資源對促進合作和創(chuàng)新極為重要。


結論
異構集成代表半導體技術的新前沿。通過結合多樣化的組件和技術，可以提供高性能和功能。然而，這種方法也在設計、制造和可靠性方面帶來新的挑戰(zhàn)。

, U; ]2 Y. _: z) O6 l異構集成路線圖為行業(yè)提供指導，概述關鍵研究領域和技術里程碑。未來，整個生態(tài)系統(tǒng)的合作——從材料供應商到系統(tǒng)集成商——將是成功的關鍵。
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參考文獻
[1] R. Rao, "Heterogeneous Integration Roadmap," presented at CMSE 2024, May 1, 2024.
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" i: F' u- R0 p$ y; {, q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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