三星 | Chiplet技术概论

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引言
半导体行业正在经历从传统单片设计向更灵活的Chiplet架构转变。这种转变代表了芯片设计和制造方法的根本性变革，为提升可扩展性和性能优化提供了新的技术路径[1]。
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图1：展示从单片设计到Chiplet架构的演变，说明半导体设计方法的根本性转变。

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单片设计与Chiplet方法的深入对比
# \0 o6 N$ ?$ Z* }* D/ {0 d半导体行业在传统单片设计和新兴Chiplet架构之间面临重要选择。单片设计作为半导体制造的基础技术已使用数十年，具有成熟的开发流程和简单的封装方案。这种设计将所有组件集成在单个芯片上，在历史上提供了最佳性能和简化的制造流程。但随着技术进步和芯片复杂度提升，单片设计面临越来越多挑战。芯片尺寸不断增大导致良率下降，在单个芯片上实现全部复杂设计变得越来越困难且成本高昂。
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" ~+ f8 S1 @5 C- Z+ d" G图2：详细对比单片设计和Chiplet方法的优势与挑战。

$ g1 T2 u1 h7 @; X; IChiplet技术为解决这些挑战提供了革新方法。通过将大型复杂设计分解为更小、更易管理的组件，Chiplet提供了更好的制造良率和设计优化灵活性。这种方法使设计人员能够将不同功能扩展到特定工艺节点，实现性能、功耗和成本之间的最佳平衡。此外，Chiplet架构便于在不同平台间复用IP，显著减少新产品的开发时间和成本。
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工艺技术的关键作用
工艺技术的选择构成了成功Chiplet设计的基础。三星的技术路线图涵盖从成熟的14nm到尖端的1.4nm工艺，每种工艺都为不同应用提供独特优势。从FinFET到环栅晶体管(GAA)技术的演进代表了晶体管架构的重大进步，实现了持续的缩放和性能提升。

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图3：三星完整的工艺技术路线图，展示从FinFET到GAA技术的演进。

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工艺技术的深入分析
9 ?& l& \2 T$ s2 a. c4 u2 R. E工艺技术的选择需要考虑多个技术因素。先进的2nm GAA和4nm FinFET工艺特别适合高性能计算应用，提供卓越的性能和能效。这些工艺节点在人工智能和数据中心等需要最大计算能力的场景中表现出色。同时，14nm和8nm等成熟工艺节点继续为对成本敏感的应用提供有效服务，在性能和制造成本之间取得平衡。
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* i" ^5 O& ]! ?2 [芯片间接口技术(Die-to-Die Interface)
# o8 I' l5 e+ L7 L  z) [芯片间接口在Chiplet设计中面临诸多技术挑战。目前的行业标准提供了多种解决方案，每种方案都针对特定使用场景进行了优化。例如，XSR/USR标准提供高达224G的带宽能力，传输距离可达50mm，但功耗和延迟较高。较新的UCIe标准在性能和功耗效率之间取得了良好平衡，支持高达40G的数据速率，同时保持与PCIe/CXL协议的兼容性。
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图4：全面对比各种芯片间接口技术，包括XSR/USR、BoW、AIB和UCIe标准。
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" C; ~, M& i' b$ s% K& `5 T这些接口在技术实现上有显著差异。Bunch of Wires (BoW)标准强调功耗效率，在终端配置中实现0.5-1pJ/bit的能效，同时保持合理的带宽能力。Advanced Interface Bus (AIB)提供了定义明确的协议结构和成熟的技术实现，但专有特性可能限制更广泛的采用。每种标准在带宽、功耗、延迟和实现复杂度之间都有独特的权衡。

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% y& u6 V! Z2 @0 m: P, t0 B+ O, J先进封装解决方案
7 x3 S% q6 x! K) }/ F6 z* `4 PChiplet技术的发展使先进封装解决方案变得更加重要。三星的I-CUBE?技术平台提供了多种集成方案，针对不同应用需求量身定制。该平台包含多种先进封装技术，每种技术都针对特定技术挑战和使用场景设计。
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# U! c* k  _/ U" }0 r; @$ c图5：三星I-CUBE封装解决方案概览，展示各种应用的集成选项。

X-Cube技术通过硅通孔(TSV)实现先进的逻辑到逻辑和逻辑到SRAM集成。这种方法允许高密度垂直集成，最大化互连带宽的同时最小化整体占用面积。TSV的实现需要精确工程来管理热问题和应力效应，但为高带宽应用提供了优越性能。
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* r+ B9 G( b9 X) r, q2 DI-CubeS技术利用硅中介层促进逻辑芯片与高带宽内存(HBM)的集成。这个解决方案解决了高性能计算应用中内存带宽的关键挑战。硅中介层提供高密度互连平台，支持逻辑芯片和HBM堆栈之间数千个连接。硅中介层的细间距能力与传统封装基板相比能提供显著更高的带宽。
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- a! W; Q5 ^4 ^# L4 @: WI-CubeR和先进封装技术应用
I-CubeR解决方案引入了重布线层(RDL)中介层，作为一种经济高效的2.5D集成方案。此技术无需昂贵的硅中介层，同时仍能提供许多应用所需的互连密度。相比硅中介层，RDL方法提供更好的散热性能和更简单的制造复杂度，特别适合主流应用。

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' H" c# m: e9 j2 z! O$ V" N完整Chiplet生态系统构建
; R9 _+ w, v0 C# X! @; ~! FChiplet技术的成功很大程度上依赖于支持设计、制造和集成的强大生态系统。三星通过与行业关键合作伙伴建立战略合作，创建了全面的Chiplet开发支持体系。

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. H4 t: M1 P4 @9 C8 S. N图6：三星Chiplet生态系统说明，展示三星、Arm、ADT和Rebellions之间的合作。
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三星、Arm、ADT和Rebellions之间的合作标志着建立Chiplet设计和集成标准化方法的重要进展。这种合作结合了三星的先进制造能力、Arm的处理器专业知识、ADT的设计工具和Rebellions的创新AI解决方案。生态系统使客户能够访问经硅验证的开发平台，根据特定应用需求进行定制。
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此生态系统的技术框架包括标准化的芯片间接口、经验证的设计方法和全面的测试协议。这种标准化有助于降低开发风险，加快新Chiplet产品的上市时间。生态系统还提供大量预验证的IP模块，使设计人员能够专注于自己的独特价值增加，而不是重新开发基础组件。
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* ~" E8 `+ C) ]+ c三星集成解决方案和技术展望
4 Y- M  k7 R0 Y" o1 l三星在Chiplet生态系统中的地位因其关键技术和能力的全面集成而独特。这种集成从先进工艺技术延伸到复杂的封装解决方案。

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图7：三星完整晶圆厂解决方案概览，强调四个关键支柱：晶圆厂技术、存储器、先进封装和生态系统。

三星解决方案的基础在于其先进的晶圆厂技术，特别是在环栅晶体管(GAA)架构方面的领导地位。这项技术实现了超越传统FinFET结构的持续缩放，在先进节点提供更好的性能和能效。存储技术（特别是HBM解决方案）的集成解决了现代计算架构中最关键的挑战之一 - 内存带宽和容量。
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) ^1 o: `  h5 l# u* V- b# C; T通过三星Cube?技术的先进封装解决方案和广泛的SAFE生态系统，创建了完整的Chiplet开发平台。这种集成方法使客户能够在性能、功耗、面积和成本等多个维度优化设计，同时最小化集成风险和挑战。该平台支持从移动设备到高性能计算的各种应用领域，提供能够随市场需求发展的可扩展解决方案。
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随着新标准的出现和集成技术的改进，Chiplet技术将继续发展。三星的全面方法既能够适应这些发展，又能保持与现有解决方案的向后兼容性。这种灵活性确保了Chiplet设计投资的长期价值。
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3 \+ X0 f. q. T1 U0 r3 \  M参考文献
" W8 A2 G4 Q* k' `- e) R[1] Samsung Foundry, "Transform Your Vision: Create Cutting-edge Chiplets Using Foundry," Samsung Electronics, Jan. 2025.
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. l( Z- o" ]8 Q; Q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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