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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# w" L, z2 \; {0 Y+ U6 X" ^
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]。4 L0 m* \6 ]3 b" v5 M' B

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. U+ s7 P) u  N. a- B7 t" K8 o
4 t0 A' E4 D; X- B
先进封装技术
/ W- _7 ^$ Y) ^/ f, G0 z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。5 f+ H! c7 }0 v- g2 @

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" ]; Z- `* Q1 Z4 c
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。6 G  ^8 J2 V, a6 e7 @
- L8 T0 i9 P  u6 J# X
CoWoS技术提供三种主要变体:- x# e9 Q, `' l- u7 }+ c4 a( D
1. CoWoS-S:采用硅中介层实现密集金属布线
. C1 u6 L. ]7 s; t6 }! ^+ I2. CoWoS-R:在有机中介层中使用重布线层
: L( H% V* f1 d: }* m! x3. CoWoS-L:结合-R和-S两种方案的优势
5 F2 A: h, j+ r; M* K* s% P' G* c8 I) P: N3 f  d4 J; ]) P
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。
* c0 H5 ~+ E, w& v
0 y; i6 ?; Q! R; ]) Q. p芯片间互连应用
; v, ^, m9 \" z. \* [# b# J7 K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)。8 }6 x7 a3 ~3 N+ T- B* k6 c* w. a6 v

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3 X6 v% v8 L' G5 o2 A) B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。0 J' U. J, z# @4 D0 k% c
' W7 h0 b0 f% u) z! \
现代Chiplet系统中使用不同的互连技术服务于不同目的:' G  Y4 V$ d1 z- j# _* y3 _+ s  s
  • 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
    / O7 O# y; W$ U% r, y' }
    : U, G9 U$ \, u

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    / a& @5 v5 h1 Z- ?8 W/ k4 G. R: E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。
    1 a3 V7 a- E: z* ?2 g
    $ O" }) }" j5 D设计考虑和挑战# f' c8 W  y1 D
    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。
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    % ~7 g- Z% M9 t) l  J# Q  s0 }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。
    , ^5 x6 k3 _, f& w) n1 \' ]: B) V' z( F. v9 d6 r! h8 U6 M
    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:
    6 b. \, \' s( O: _& _

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    * R' x. F8 {0 g+ c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。, U, @% \3 w1 ^1 P) ^4 Y
    ) E$ b* U" D3 X- z4 R. c5 e! o
    未来趋势和发展0 K& ?6 }  E( ]  h0 y& ~1 g( J& u4 p1 m
    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。
    - d! l7 s" C  e- \3 d. v8 x4 B

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    : X: p  W, n' F
    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。# o7 a( w6 x* i8 S9 r4 T

    ; |1 }* L) w% |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。9 n! e! ]" w3 H7 P) o5 a/ h/ u

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    4 T8 X  b" ?0 x! U) L2 ~
    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。2 M3 S! R+ Y! p0 z5 i8 U( P4 v) _
    0 j$ a' l& T# `  p0 [: D# D: Q
    结论- Q+ i$ W% K5 {% H
    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。* w- J! R/ N5 N: z5 u$ _

    9 l* Q$ j9 l; k/ E3 E参考文献& @) C- {+ Y& H0 F3 B
    [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.2024.35066944 m$ x6 s7 n; |. m3 L* q" C
    , B& e% C% r3 @0 X; G
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    - s" u3 U3 K4 j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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