多芯片设计与先进封装技术

逍遥设计自动化

引言
多芯片封装解决方案正在成为半导体行业的重要发展方向，用于满足现代计算系统对更高性能、更好功率效率和更高带宽的需求。本文将深入探讨多芯片设计的发展、挑战和解决方案，从架构探索到最终验证的完整流程[1]。
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% i# B9 {3 n" b" s* `& L- b6 W根据IDTechEx Research 2024年10月的研究数据显示，服务器领域在chiplet市场占据主导地位，市场份额达56.9%，其次是个人电脑市场占25.8%。汽车行业占8.1%，移动电话占7.1%，电信领域（包括5G和物联网应用）占1.9%，其他应用占0.2%。

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; L' N. \: F4 j# o$ K# n2 v0 V图1：2030年市场细分预测，展示了不同领域chiplet应用的分布情况，服务器领域以56.9%的市场份额占据主导地位。
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技术发展驱动力
9 ^5 \6 h/ P8 n7 d) z多芯片封装的需求主要由几个关键因素推动，包括提高带宽、增强性能、改善功率效率、降低延迟和缩短开发周期的需要。随着晶体管数量持续呈指数级增长，传统单芯片解决方案面临越来越多的挑战。从28nm到1.0nm工艺节点，晶体管数量显著增加，促使芯片设计和封装方法需要新的突破。

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* O, d2 z% e5 l2 q0 o2 Q) @图2：展示了从28nm到1.0nm节点的晶体管数量扩展，以及代表性多芯片封装结构中各组件的集成。

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先进封装技术与集成
, a3 @$ h! Q5 W$ }& w4 A  M" U9 O, P) ~$ o行业已经开发出多种多芯片集成方法，每种方法各有优势和权衡。封装技术主要分为三类：多芯片模块(MCM)、晶圆级扇出和硅/玻璃中介层解决方案。每种方法在布线密度、走线长度、性能、尺寸和成本方面都有不同的特点。
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9 l( c; ^% d* ~6 Y图3：详细比较了2.5D先进封装技术，展示了不同集成方法在布线密度、走线长度、性能、尺寸和成本方面的关系。

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. Z! [! C3 n/ Y芯片间接口技术
芯片间通信接口技术是多芯片设计中的重要环节。接口技术可以分为并行接口和串行接口，分别用于不同的需求和应用场景。并行接口又细分为存储器和非存储器应用，而串行接口则采用SerDes技术。
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, z/ [2 u/ v; K$ I图4：全面比较了不同芯片间接口技术，包括并行和串行接口的规格和主要特性。

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" i2 m) o6 i  J& q6 X( S2 D设计挑战与解决方案
: I: h& D  W; l) {! e多芯片设计在整个设计过程中面临多个复杂挑战。需要解决噪声耦合、供电、热量考虑和机械应力等问题。多个芯片紧密集成需要仔细考虑电源噪声、封装基板噪声、串扰以及堆叠芯片之间的散热问题。

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图5：展示多芯片设计中的主要挑战，包括热量、功率和机械应力考虑因素。
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实现和分析流程
成功实现多芯片设计需要全面的设计流程，包括架构探索、实现、验证和终验。这个过程包括多个分析和优化阶段，包括芯片抽象创建、凸点图案研究和分析驱动优化。
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1 V" p9 x  F# M: Q6 n9 M5 W( r图6：展示多芯片布局规划和原型设计过程，从芯片抽象创建到分析驱动优化的不同阶段。
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* x7 x2 z; U  F) N多物理分析和终验
多芯片设计中，全面的多物理分析对确保可靠运行非常重要。包括功率完整性分析、信号完整性验证、热分析、电磁耦合评估和机械应力评估。这些分析必须在芯片和封装级别同时进行，以确保整个系统的可靠性。

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: S4 q+ J) |/ r1 P1 c$ N1 t图7：详细展示了多芯片设计所需的各种多物理分析，包括功率完整性、信号完整性和热量考虑因素。

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* X& t, }+ L2 q6 l1 p& ]2 H! Y结论
随着半导体行业不断推进性能和集成度的提升，多芯片设计已经成为满足现代计算需求的基本方法。这些复杂系统的成功实现需要对各种技术有全面的理解，认真考虑设计挑战，并应用复杂的分析和验证技术。随着封装技术和设计方法的持续进步，多芯片集成在半导体设计中的作用将继续增强。

+ ?1 G% J; }, {参考文献
[1] R. Horner, "Multi-Die Design from Architecture Exploration to Signoff," presented at the Chiplet Summit, Santa Clara Convention Center, Santa Clara, CA, USA, Jan. 21-23, 2025.
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