Chiplet异构集成概述

逍遥设计自动化

引言随着摩尔定律接近极限，半导体行业正在探索新方法来持续提高集成线路的性能、功率效率和成本效益。Chiplet异构集成将传统的片上系统（SoC）设计重新设计为更小的功能块，称为Chiplet。本文将探讨Chiplet异构集成的概念、优势、挑战以及各种实现技术。
( J3 d  r9 |& V( G* x' c% O) G什么是Chiplet?Chiplet是功能性集成线路块，通常由可重用的IP（知识产权）块组成。与将所有功能集成到单个整体芯片的传统SoC不同，基于Chiplet的设计将这些功能分割成独立的较小芯片，可以使用不同的工艺制造，然后使用先进的封装技术集成。

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图1：两种Chiplet异构集成方法：（a）芯片分割和集成，（b）芯片分区和集成。
* R* I: }2 ]' w5 M3 yChiplet异构集成的优势1. 良率提升：较小的芯片具有更高的良率，从而降低制造成本。图2说明了这一概念：

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8 V) N# P9 E" X( \图2：整体设计和各种Chiplet设计的良率与芯片尺寸的关系。
2. 上市时间：芯片分区可以加快开发速度。
. W5 a- X% b' j3. 成本降低：AMD证明，使用Chiplet进行CPU核心设计可以将32核CPU的硅设计和制造成本降低最多40%。
: I' y9 }, O+ P, z- |$ Z/ \  z4. 散热优势：将芯片分散在封装中可以改善热管理。
7 M) Z: g' w- x. S3 XChiplet异构集成的挑战

接口和复制逻辑需要额外面积

更高的封装成本

增加的复杂性和设计工作

需要适合Chiplet设计的新方法[/ol]
用于Chiplet集成的先进封装技术为支持Chiplet异构集成，出现了几种先进的封装技术：1. 有机基板上的2D Chiplet集成：这种方法将Chiplet并排放置在有机基板上。AMD的EPYC处理器使用了这种技术。
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图3：AMD第二代EPYC在有机基板上的2D Chiplet异构集成。
# ?$ W& o) e- U4 T2 k  p$ q2. 有机基板上的2.1D Chiplet集成：这种方法在有机基板上添加薄膜层，以提高互连密度。新光电气的i-THOP（集成薄膜高密度有机封装）是这种技术的一个例子。

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图4：新光电气在有机基板上的2.1D Chiplet异构集成。
硅中介层上的2.5D Chiplet集成这种技术使用带有硅通孔（TSV）的无源硅中介层来连接Chiplet。台积电的晶圆级封装（CoWoS）是一个突出的例子。

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图5：在无源TSV中介层上的2.5D（CoWoS-2） Chiplet异构集成。
9 H- P6 h/ N, X# e+ n6 U5 ^3D Chiplet集成这种方法使用带有TSV的有源中介层垂直堆叠Chiplet。英特尔的Foveros技术是这种技术的主要代表。
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图6：英特尔的3D Chiplet异构集成（Foveros）。
8 |' b  R0 ]3 B; Y# l* ]5 [: Z带硅桥的Chiplet集成这种方法在有机基板中嵌入硅桥来连接Chiplet。英特尔的EMIB（嵌入式多芯片互连桥）使用了这种方法。

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! k/ y( G6 X. _+ q' Y图7：英特尔在带硅桥的有机基板上的Chiplet异构集成（Agilex FPGA）。
封装叠加（PoP） Chiplet集成这种技术垂直叠加封装，通常结合逻辑和存储Chiplet。苹果的A系列处理器使用这种方法，结合台积电的InFO（集成扇出）技术。
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3 q4 v. x) \* p1 u9 x图8：苹果iPhone的PoP InFO Chiplet异构集成。
案例研究：1. AMD的EPYC处理器：AMD的第二代EPYC服务器处理器展示了Chiplet设计的强大功能。通过使用Chiplet，AMD实现了比整体设计更高的核心数和性能，同时还降低了成本。

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图9：AMD的芯片成本比较：Chiplet（7 nm + 12 nm）与整体（7 nm）。
2. 英特尔的Lakefield处理器：英特尔的Lakefield移动处理器使用Foveros 3D封装技术垂直堆叠Chiplet。这种方法可以在适合移动设备的紧凑形态下实现高性能。

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图10：使用Foveros技术的英特尔Lakefield移动处理器。
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图11：Lakefield处理器横截面的扫描电子显微镜图像。
未来趋势半导体行业在Chiplet集成技术方面不断创新，些新兴趋势包括：1. 更细的互连间距：英特尔已经展示了10 μm间距的混合键合技术，相比Lakefield使用的50 μm间距有了显著提升。
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图12：英特尔的Foveros技术：微凸点（50 μm间距）和无凸点（10 μm间距）技术对比。
5 r- i# X* @+ v) e/ m2. 3DFabric集成：台积电的3DFabric技术为Chiplet集成提供全面的平台，涵盖前端到后端的工艺。
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8 \3 p* p/ l! j, J1 C图13：台积电3DFabric集成概念。
3. 混合键合：台积电的集成芯片系统（SoIC）技术使用混合键合进行芯片到芯片和芯片到晶圆的集成，与传统的微凸点方法相比，提供了更好的热性能和能量性能。
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- C1 m8 Y* ~: T; A$ w' I2 ?) v& p- H图14：SoIC与传统3D IC的热性能和能量性能比较。
结论Chiplet异构集成代表了半导体设计和封装的范式转变。通过将复杂系统分解为更小、更易管理的Chiplet，制造商可以优化性能、降低成本并缩短上市时间。虽然在标准化和设计工具方面仍然存在挑战，但基于Chiplet设计的潜在优势正在推动行业快速创新。
展望未来，可以预期Chiplet集成技术将继续进步，包括更细的互连间距、改进的热管理和更复杂的3D集成技术。AMD EPYC处理器和英特尔Lakefield等产品的成功证明了基于Chiplet设计的可行性和潜力。
对于希望利用Chiplet技术的公司来说，权衡不同集成方法之间的利弊，并选择最适合其特定应用需求、性能目标和成本限制的方法非常重要。随着生态系统的成熟和标准的出现，Chiplet异构集成将在塑造半导体设计和制造的未来方面发挥重要作用。
- h& a( n, [$ X9 ~) n. d) }参考文献J. H. Lau, "Semiconductor Advanced Packaging," Singapore: Springer Nature Singapore Pte Ltd., 2021.
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6 S9 b9 a: ^5 l0 S' B* {. ]深圳逍遥科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家专注于半导体芯片设计自动化（EDA）的高科技软件公司。我们自主开发特色工艺芯片设计和仿真软件，提供成熟的设计解决方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分别针对光电芯片、微机电系统、超透镜的设计与仿真。我们提供特色工艺的半导体芯片集成电路版图、IP和PDK工程服务，广泛服务于光通讯、光计算、光量子通信和微纳光子器件领域的头部客户。逍遥科技与国内外晶圆代工厂及硅光/MEMS中试线合作，推动特色工艺半导体产业链发展，致力于为客户提供前沿技术与服务。
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