TSMC | 高带宽Chiplet互连的技术、挑战与解决方案

逍遥设计自动化

引言
4 w) U! x: ~8 q6 A2 G5 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]。

zpvzymmtzgm64041002431.png

先进封装技术
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。
- q4 o8 X" l" y) u+ b

gpndvhno4ya64041002531.png

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。

4 l/ {$ J6 X6 CCoWoS技术提供三种主要变体：
$ T' N! P: X- O4 q- y" z1. CoWoS-S：采用硅中介层实现密集金属布线
, n9 N* S# t+ w# @+ P2. CoWoS-R：在有机中介层中使用重布线层
" C: H) b+ {; r; e/ s- v3. CoWoS-L：结合-R和-S两种方案的优势

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。
+ x' r6 v6 Z4 C- f; g
芯片间互连应用
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)。

vz5jxvz1wt164041002631.png

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。
: q" x' o+ r2 b6 u& _
: t# T0 j# w( I* m现代Chiplet系统中使用不同的互连技术服务于不同目的：

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

6 P  q) o& D1 X* r$ H" M- g

xv5ktgohqyh64041002731.png

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。

设计考虑和挑战
) l; Q, \3 E# C% x: J/ ?8 r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。

qwr54npknf164041002831.png

$ _3 i6 e; U. s+ O; f/ R  w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。
: ?, t/ r  `. G7 X: R* R) [" N
0 {9 i' A% `0 O3 _. a) s$ T7 P0 {' z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：
( V7 U1 ~/ H1 w- d6 F# `9 ?

qjmbz1fpe0f64041002932.png

/ Z2 @9 R6 @" {# k$ j2 n; ?5 i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。

未来趋势和发展
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。
* F9 ?  Y1 L; r& b

0hz2sfif20t64041003032.png

1 p4 B1 `& p+ N; e: j0 m( U; [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。

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。

knjajbhjydf64041003132.png

& l6 g, F; d5 I9 n' l* B8 n! v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。

, {" r! _- u& N3 W. [* w/ V结论
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。
; ?1 Y1 l- S4 i2 s/ @9 ?
( p1 w2 j+ z4 [) G" \参考文献
2 d& C% H  S+ E[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
$ J% F  D0 i. h8 z" b% k; L& s! C
END


& M8 g0 C# _0 x! B9 b% w3 t软件申请我们欢迎化合物/硅基光电子芯片的研究人员和工程师申请体验免费版PIC Studio软件。无论是研究还是商业应用，PIC Studio都可提升您的工作效能。
点击左下角"阅读原文"马上申请
& L+ d4 d  @* j
欢迎转载
! I8 C: r" L- E9 g
# U. x  H! r6 o( n* o# s3 V! c& V转载请注明出处，请勿修改内容和删除作者信息！
8 \  p* c5 v0 N' a4 L) C9 c
9 E# Z$ r& O- S6 \% ^, Q5 o4 ~. ?
, ~7 Q5 n0 W: r; o* P: j

2yrmuj4zfl164041003232.gif

4 s- b" a- F5 }7 Y
2 l! K3 [( b: R$ m+ E" t( k关注我们

$ }) u0 m6 i; r; S0 r gq2l3ow2j0u64041003332.png 0 u( P9 F* v: i3 @2 w! t

3slwgzhnyf364041003432.png

8 W4 M) c6 h. I' K; M 2ltyoetxumr64041003532.png 9 f& r- l% F4 X2 |% C$ i! d

                     

. g, I7 j- J. Q! H- I
/ S* X, l) U0 H% P0 \# V4 e# V
关于我们：
- `* @/ l' T5 h4 x0 R" F- C: E1 z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。
- s5 p1 i0 m* p0 {2 g+ M6 L0 u
( F. e# n3 |" ?; Z/ {http://www.latitudeda.com/
（点击上方名片关注我们，发现更多精彩内容）