现代Chiplet架构的演进与复杂性

逍遥设计自动化

引言

半导体行业正在经历从传统单片系统芯片(SoC)向基于Chiplet的设计转变，为领先设计团队带来机遇与挑战。本文探讨Chiplet架构的复杂世界、实施挑战以及创建这些复杂系统时需要考虑的各个方面[1]。
& [% S2 y8 X* T0 C  O7 `Chiplet架构的发展

向基于Chiplet的设计转变代表着半导体开发方法的根本变化。这种转变由多个关键因素推动，正在重塑行业格局。人工智能应用无论在数据中心、汽车系统还是移动设备中，都需要在保持能效的同时显著提升性能。传统单芯片设计正接近极限，因为额外功能所需的面积持续增长，而互连导线和SRAM的扩展速度无法跟上。
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) t% w( ]  W0 O( V% G, q图1：多芯Chiplet设计展示了现代半导体架构方法，多个芯片集成在单个封装中，来源于Synopsys。
8 I( S1 d) G; s; t  f基本组件和设计考虑因素
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9 L  Z( P, E5 l1 D2 J在Chiplet设计领域，分区是第一个重要步骤。设计团队必须仔细考虑如何有效分解系统组件。通常从输入/输出(I/O)组件开始，因为这些组件不一定需要随工艺节点缩放。这种策略性分离允许公司在较旧、更具成本效益的工艺节点上保持I/O元素，同时利用先进节点实现计算密集型组件。

Chiplet之间的互连策略是另一个重要考虑因素。虽然UCIe和Bunch of Wires提供了标准化连接方法，但物理层(PHY)的实现需要仔细考虑。历史上，由于大多数Chiplet都是内部开发的，PHY主要是专有的。然而，随着第三方Chiplet的增加，在每个可能的层面上提高数据速度和维护完整性的创新不断涌现。
功耗和信号完整性挑战
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' C  w; m, W, \0 B7 O7 H& f1 AChiplet设计的复杂性带来了维护功耗和信号完整性的新挑战。不同芯片的分布创建了多个芯片间连接，使信号完整性变得极其重要。跨不同芯片的功率分配提出了独特的挑战，团队必须确保稳定的功率传输，同时管理热量考虑。
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图2：多Chiplet聚合和优化图，展示了不同材料的使用及其在先进封装解决方案中的集成，来源于Cadence。
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在Chiplet时代，功率完整性变得更加重要。与传统的SoC设计不同，Chiplet系统需要跨多个组件进行全面的功率建模。早期系统建模对于验证功率分配方案的可行性和探索不同封装技术变得必不可少。
热管理和封装创新

4 x( A" S+ y0 nChiplet设计中的热完整性提出了独特的挑战。热应力可能导致基板翘曲，特别是在较薄的材料中。这对有机中介层特别成问题，需要特殊的处理程序。大尺寸的硅中介层也可能面临类似挑战。
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行业已经提出创新解决方案，包括在中介层旁使用桥接。这些桥接通常被分割成较小的部分以最小化热效应，尽管这种方法带来了新的复杂性。桥接和中介层的组合在维持高性能互连的同时提供了管理热应力的灵活性。
8 w. U( |, ?; S应用特定考虑因素
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Chiplet技术在不同应用中的实现差异显著。工业和汽车应用需要能够承受温度循环、机械应力和振动的坚固Chiplet。这与数据中心的要求有很大不同，后者主要关注性能和能效。

* T- k; Q; R* x0 z8 N成本考虑也在各应用中有显著差异。汽车封装成本可能低至20美元，而数据中心实现可能达到每个封装2000美元。这种广泛的范围需要不同的封装类型和技术来满足各种价格点和性能要求。
  r0 F9 o/ R0 m: N; L结论
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: \6 u5 l- F, f' L先进芯片设计通过Chiplet架构实现异构集成，这条技术路径充满挑战。工作负载要求、经济因素和物理限制需要认真考虑。自动化在管理复杂性方面将发挥更大作用，但确定特定应用的最佳配置仍然是重要课题。
参考来源
4 G: R/ L+ b& v5 r- R- \/ Y
[1] E. Sperling and A. Mutschler, "Chip Architectures Becoming Much More Complex With Chiplets," Semiconductor Engineering, Jan. 30, 2025. [Online]. Available: https://semiengineering.com/chip-architectures-becoming-much-more-complex-with-chiplets/
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2 q$ L6 l  J, y3 b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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