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TSMC | 高带宽Chiplet互连的技术、挑战与解决方案

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发表于 2024-11-29 08:01:00 | 显示全部楼层 |阅读模式
引言* l5 R! m& K; [
人工智能(AI)和机器学习(ML)技术的需求正以惊人的速度增长,远超摩尔定律的预测。自2012年以来,AI计算需求以每年4.1倍的速度指数增长,为半导体制程缩放和集成带来重大挑战。为应对这些需求,业界采用了基于Chiplet的设计方法,将较大系统分解为更小、更易于管理的组件,这些组件可以分别制造并通过先进封装技术进行集成[1]。( a0 l$ ^+ a4 ~3 S

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" @6 c4 n! Y$ Z' k' i5 y3 r2 s
- R/ J6 q$ X2 a* |* d* p  h( T8 @6 \
先进封装技术2 d9 ^$ }0 `# E% k" k0 U7 g" [
先进封装技术可以大致分为2D、2.5D和3D方法。2.5D集成技术,包括晶圆级芯片堆叠(CoWoS)和集成扇出型封装(InFO),在高性能计算应用中获得了显著发展。8 S# _* a6 x2 {. B

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: O4 I8 R) @& [图1:台积电3D Fabric技术组合,展示了包括CoWoS、SoIC和InFO平台在内的各种封装选项,满足不同集成需求。+ A/ g3 N1 V1 p2 D( C7 a) U$ K" D3 |

1 T: G7 Y; w' t7 ?$ xCoWoS技术提供三种主要变体:
, e" O0 ~* [9 l8 H  Z1. CoWoS-S:采用硅中介层实现密集金属布线4 p- e" V6 H' u( U( X
2. CoWoS-R:在有机中介层中使用重布线层. T  A8 `+ X  F" w
3. CoWoS-L:结合-R和-S两种方案的优势/ i7 k& w3 R. \
5 Y) I- o6 }0 {5 n3 J/ q. P' z! r8 ?
InFO平台已从移动应用发展到高性能计算,提供多种选项,包括局部硅桥接和嵌入式去耦电容,以实现更好的供电性能。
/ o4 C8 d; M& u$ p: f. L. \- m/ U3 s" K% o8 i1 i) V6 |  u
芯片间互连应用
3 C7 b( o0 Z3 \; H. R. L3 Q" F芯片封装的演进带来了各种凸点间距缩放选项,从传统MCM封装(110-130μm间距)到先进的2.5D封装(40μm间距)和3D集成(9μm或更小间距)。1 ]1 M0 J$ N7 @

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3 K) ?3 w9 e$ g3 U
图2:凸点间距缩放视角,展示了从MCM到先进封装技术的演进,随着间距减小带宽密度不断提高。
" h9 T: z# B' `5 X* s5 a7 Q9 h- x( W+ v; ^3 P
现代Chiplet系统中使用不同的互连技术服务于不同目的:
  k, \& d: s8 Q
  • 计算到计算及IO连接使用UCIe PHY
  • 计算到内存连接使用HBM PHY
  • 计算到SRAM连接通过3D堆叠实现
  • IO chiplet到外部IO使用XSR-SerDes) Q% V" f7 w7 b- W/ c

    : j* s* f! s) G5 c/ l2 J/ a

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    8 _/ t2 U# f: Q1 j图3:芯片间互连应用,展示了计算芯片、内存和IO组件之间的不同类型连接。  v" x' Q' G* A3 |7 N

    3 m# P$ C+ q6 k- B& M* p/ A& W3 O0 ^设计考虑和挑战
    - d/ E* C' R( e* P+ R- S. O2 W$ m+ I通道优化在实现最佳信号完整性和可布线性方面发挥关键作用。设计人员必须平衡各种因素,包括介电层厚度、金属间距、层厚度和过孔封装规则。
    5 X5 a: E7 Y/ l, P* E

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    6 V1 K" L. s( U1 X图4:通道可布线性和信号完整性优化,展示了中介层子部分设计和相应的信号完整性测量。8 \4 w" |4 T: B& d/ H- Y

    ; P2 c6 C# I( ~) u3 K供电代表另一个关键挑战,尤其是在电流密度不断增加的情况下。现代解决方案包含多级去耦电容:
    5 j! O  \/ T. a; g% o

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    + B1 D( L% k% g/ x图5:供电网络的去耦电容策略,展示了不同类型电容及其在系统中的布置。5 G0 i/ \: \# B$ G

    " x4 X; _: z* m' [5 v' n未来趋势和发展
    ! R0 z! W7 ]+ R: ~% b. j4 s业界持续追求更高的带宽密度和能源效率。技术制程缩放在实现这些改进方面发挥核心作用。' b5 I7 Y! g1 ^; a0 `$ I! j

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    # a2 c% H4 n# z/ V0 |# o
    图6:技术和带宽缩放趋势,展示了数据速率、凸点间距和制程节点之间的关系。
    8 J4 p$ w9 c& q0 [& p( `5 O: \& k  H9 y; L; I& C; J! @% A
    对于更大规模集成,晶圆级封装变得越来越重要。这种方法允许超越传统光罩尺寸限制的集成。* A" S  t4 J  j0 R

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    : v1 C5 c( l4 V5 p! s图7:晶圆级系统扩展示意图,展示了多个Chiplet和HBM内存在晶圆级系统中的集成。
    9 ?6 ^8 K/ e' c5 e5 q4 q9 A1 d( B, S( |% U, C  N" X4 k: ]
    结论
    ! _' m' F9 [  e* |0 B高带宽Chiplet互连是下一代计算系统的核心技术。通过仔细考虑封装技术、互连架构和设计优化,这些系统能够为要求严格的AI和ML应用提供所需的性能。随着行业不断发展,供电、散热和系统集成方面的新挑战将推动该领域的进一步创新。
    ( u- c% t, u7 Q1 r" A. d% C* ]( v; [
    参考文献6 s! t- h& Z* j; J, X. r
    [1] S. Li, M. Lin, W. Chen and C. Tsai, "High-bandwidth Chiplet Interconnects for Advanced Packaging Technologies in AI/ML Applications: Challenges and Solutions," IEEE Open Journal of the Solid-State Circuits Society, 2024, doi: 10.1109/OJSSCS.2024.3506694
    " n8 D; {! v" k; F6 {- b3 ^4 n
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    欢迎转载& O2 b8 B2 L0 Q) u

    % C3 f# ]& ]5 i转载请注明出处,请勿修改内容和删除作者信息!* S; G3 N2 L- ~

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    + Z* T" Z" i" v$ n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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