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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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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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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. R: J6 x& T7 l6 J& Z) {- g技术发展驱动力
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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/ G+ k/ `, u; t; f" P$ i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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: y& z3 y2 `; _" f先进封装技术与集成
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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1 V9 i1 C7 H, V6 r0 }1 z! {# x% N# j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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, y2 f0 @5 S1 l" ]! X$ f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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; o# P1 A' ^3 H9 s# R5 K% ~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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设计挑战与解决方案
: b, W# @6 y, z3 B5 M, p- P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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$ f4 j/ r" e$ \) j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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6 R5 |: t, ?* ?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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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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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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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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* {1 X/ O  T4 E  x4 ?结论
$ X- r. [, f" J  H+ E" b! M0 L7 `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。
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参考文献
  Z5 H5 f% X+ I6 j' x" \/ i9 A$ H[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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* K$ t, z. n, _2 I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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