【導讀】在芯片技術飛速發(fā)展的當下，芯片設計呈現(xiàn)出規(guī)模急劇擴張、復雜度不斷攀升的態(tài)勢。特別是針對人工智能（AI）和高性能計算（HPC）這類對算力要求極高的負載場景，把所有功能一股腦兒集成在單一平面裸片上，已然成為一項極具挑戰(zhàn)甚至難以實現(xiàn)的任務。然而，要精準判斷何時該切換到多裸片（Die）封裝方案，卻并非能輕松做出的決定。
在芯片技術飛速發(fā)展的當下，芯片設計呈現(xiàn)出規(guī)模急劇擴張、復雜度不斷攀升的態(tài)勢。特別是針對人工智能（AI）和高性能計算（HPC）這類對算力要求極高的負載場景，把所有功能一股腦兒集成在單一平面裸片上，已然成為一項極具挑戰(zhàn)甚至難以實現(xiàn)的任務。然而，要精準判斷何時該切換到多裸片（Die）封裝方案，卻并非能輕松做出的決定。
多裸片技術的優(yōu)勢已有詳實的行業(yè)論證。該技術允許設計人員將不同功能拆分至獨立裸片，有助于提升生產良率；同時可針對部分功能模塊采用成熟且低成本的工藝節(jié)點，在降低成本的同時提高產品可靠性。隨著相關技術標準的普及和設計工具的迭代優(yōu)化，多裸片方案的落地難度已有所降低。此外，面對日益增長的性能需求，以及先進工藝節(jié)點流片一次成功率下降的行業(yè)現(xiàn)狀，企業(yè)為保持競爭力、更高效地平衡功耗、成本與可靠性，紛紛開始采用多裸片技術方案。
推動多裸片封裝發(fā)展的兩大核心驅動力，源自芯片設計到制造流程的兩端。“第一大驅動力是功能解耦，”西門子EDA（Siemens EDA）中央工程解決方案總監(jiān)Pratyush Kamal表示，“裸片的尺寸正變得越來越大，尤其是在先進工藝節(jié)點中，其面積已逼近光刻機的掩膜版尺寸極限——而晶圓制造工藝恰恰受限于掩膜版的規(guī)格。我們正致力于研究Cerebras公司如何通過創(chuàng)新技術實現(xiàn)跨掩膜版邊界的芯片設計。目前，行業(yè)內也在借助晶圓級封裝技術達成類似目標，具體包括采用背面重布線層（RDL）等工藝。但對于單片集成設計而言，掩膜版尺寸始終是一道難以突破的瓶頸。第二大驅動力則是系統(tǒng)集成。這其中涉及嵌入式穩(wěn)壓器的應用，我們正將更多元器件集成到封裝內部。從根本上來說，縮小電子設計的占位面積，就能有效降低功耗、提升性能。正是這兩大因素，共同推動了先進封裝技術的落地應用。”
然而，在種類繁多的多裸片技術路線中，哪一種方案最優(yōu)，始終是一個沒有標準答案的難題。“設計人員可以選擇采用通用封裝方案，通過UCIe或其他裸片間互聯(lián)技術，實現(xiàn)兩顆裸片的并排集成；也可以選擇成本更高的先進封裝方案，在裸片之間嵌入硅中介層；甚至還能采用2.5D/3D堆疊技術，實現(xiàn)裸片的垂直堆疊。不同技術路線的適用門檻存在差異。”楷登電子（Cadence）產品營銷總監(jiān)Mayank Bhatnagar解釋道，“從性能角度來看，如果一款芯片的所有功能能夠在最先進的工藝節(jié)點上實現(xiàn)單片集成，那么它無疑能達到最優(yōu)性能。但這一結論的成立需要滿足諸多前提條件，而這些條件在多數(shù)實際場景中往往難以全部達成。這也是為什么高性能計算芯片會率先采用先進封裝技術的原因。理論上，單片集成設計的性能表現(xiàn)十分可觀，但面對當前的AI與HPC負載，能否實現(xiàn)單片集成本身就是一個巨大的未知數(shù)。即便可以實現(xiàn)單片集成，過大的裸片面積也會導致良率大幅下降。因此，企業(yè)選擇多裸片方案的考量標準，有時并非某一設計的性能表現(xiàn)，而是能否以經(jīng)濟可行的方式實現(xiàn)足夠大的芯片規(guī)模。”
在多數(shù)場景下，促使設計人員選擇功能解耦的核心動因，是需要在超過單一裸片面積的空間內集成更多計算資源，但這一決策還需綜合考量其他因素。“設計人員可能希望復用芯粒（Chiplet）中的部分知識產權（IP）核，因為這部分設計的功能通常較為穩(wěn)定，無需頻繁迭代。”新思科技（Synopsys）產品管理高級總監(jiān)Amlendu Shekhar Choubey表示，“此外，設計人員還可能需要采用異構集成技術，針對不同功能模塊匹配最適合的工藝節(jié)點。這些因素都會在決策過程中起到關鍵作用。我們提供的設計流程，能夠讓系統(tǒng)架構師在完成寄存器傳輸級（RTL）代碼或網(wǎng)表設計之前，就對這些因素進行權衡并做出決策。一旦明確了系統(tǒng)的功能需求與設計概念，架構師便可借助我們的工具流程，結合目標技術方案的相關信息開展前期設計探索。例如，基于初步的功能劃分，判斷多裸片架構是否適用；若適用，應如何進行架構設計與功能拆分，需要權衡哪些因素；是選擇垂直堆疊、水平集成，還是針對不同裸片采用混合集成方案。在啟動RTL代碼或網(wǎng)表設計之前，就能對功耗、性能與面積（PPA）的各項指標進行全面評估，這為架構師提供了強有力的支撐，助力其在前端設計啟動前做出最優(yōu)決策。”
在這一階段，設計團隊需要敲定多項頂層設計決策。“項目啟動前，我們會以功耗、性能與面積（PPA）指標為核心，制定架構層面的技術規(guī)格，這也是多裸片方案決策的關鍵階段，”新思科技硬件工程經(jīng)理Esha Dubey表示，“隨后，團隊還需評估成本、功耗以及所需的熱仿真方案——這些均是芯片架構師需要決策的內容。若采用2D、2.5D或多裸片3D堆疊設計，則需要先完成相應的布局規(guī)劃。接下來，需開展裸片間互聯(lián)的合規(guī)性檢查；同時，由于我們也提供各類IP核，設計團隊還需確定IP核之間的互聯(lián)方案。”
圖1 多裸片架構設計流程
圖表：模塊級架構設計流程，包含自動劃分、形狀優(yōu)化、可行性分析及最終架構確定等環(huán)節(jié)。來源：新思科技（Synopsys）
從單片集成轉向多裸片方案的決策，取決于從架構設計到制造成本的諸多因素。這一轉型兼具技術屬性與戰(zhàn)略屬性，會對芯片的設計和制造全流程產生影響。為深入理解這一轉型趨勢，有必要探究這些因素之間的相互作用，以及它們對芯片產業(yè)發(fā)展方向的影響。
“我們需要先了解芯粒生態(tài)系統(tǒng)的形成邏輯。”是德科技EDA（Keysight EDA）EDA產品集成經(jīng)理Stephen Slater表示，“過去，單一裸片的尺寸不斷增大，在晶圓上占據(jù)的面積越來越多，這導致了一系列制造問題，例如晶圓上出現(xiàn)局部區(qū)域參數(shù)超標。一旦出現(xiàn)此類問題，整個裸片都將報廢，最終導致良率極低。通過將芯片功能拆分為更小的模塊，單枚晶圓可產出的裸片數(shù)量會顯著增加，從而有效提升生產良率。FPGA廠商、CPU廠商以及NVIDIA等行業(yè)領軍企業(yè)，率先通過多芯片互聯(lián)技術實現(xiàn)了計算功能的擴展，達成了單一晶圓工藝升級無法企及的性能目標。隨著越來越多的復雜功能被轉移至封裝環(huán)節(jié)，業(yè)界開始更加關注如何規(guī)避潛在的性能瓶頸。例如，在實現(xiàn)芯片間高速信號傳輸時，信號互聯(lián)會不可避免地帶來一定的延遲，同時存在串擾風險。目前，芯粒生態(tài)系統(tǒng)中的多數(shù)企業(yè)都會采用UCIe等數(shù)字標準來實現(xiàn)高速互聯(lián)。UCIe標準同時支持通用封裝和先進封裝：在通用封裝方案中，通常采用傳統(tǒng)的有機封裝基板，信號通過基板實現(xiàn)芯片間傳輸；而在先進封裝方案中，則會引入硅基互聯(lián)結構——這種硅基互聯(lián)本身就是一枚集成電路，需要與互聯(lián)的芯粒進行協(xié)同封裝。后者作為一種高密度互聯(lián)方案，能夠支持超高數(shù)據(jù)傳輸速率，同時實現(xiàn)最大化的互聯(lián)密度。”
這就要求工程團隊投入更多精力開展信號完整性（SI）和電源完整性（PI）分析。“這是我們重點關注的領域，我們發(fā)現(xiàn)客戶正投入大量研發(fā)周期用于這類互聯(lián)鏈路的設計與優(yōu)化，”Slater補充道，“設計人員需要特別關注版圖布局，尤其是硅中介層的布局——由于中介層沒有用于回流電流的實心接地平面（通常采用網(wǎng)格狀接地平面），其布局設計的難度更高。此外，芯粒系統(tǒng)中一個日益凸顯的問題是：如何通過低阻抗、低電阻的路徑，為芯片各模塊精準供電。我們還發(fā)現(xiàn)，采用先進封裝技術的應用場景，往往是大電流、低電壓的工作場景，這為電源垂直傳輸設計帶來了巨大挑戰(zhàn)。”
多裸片封裝方案需要投入更多的研發(fā)工作量和時間成本，且根據(jù)技術路線和目標負載的不同，其初期實施成本可能會顯著高于單片集成方案。“只有在‘非用不可’的情況下，企業(yè)才會選擇多裸片方案，”Bhatnagar指出，“多裸片設計意味著需要多次流片，因此掩膜版和封裝的整體成本會大幅上升。”
多裸片方案的成本控制，在一定程度上取決于工程團隊對該類架構的技術駕馭能力。“綜合考量性能、功耗、面積和成本等因素，若芯片功能可實現(xiàn)單片集成，其性能無疑是最優(yōu)的，”Bhatnagar表示，“一旦采用裸片間互聯(lián)，就必然會產生性能瓶頸，因為數(shù)據(jù)傳輸需要經(jīng)過互聯(lián)鏈路——這也是功能劃分至關重要的原因。設計人員需要通過合理的功能劃分，將裸片間的數(shù)據(jù)傳輸量降至最低。”
多裸片設計中的功耗問題同樣備受關注。“裸片間的數(shù)據(jù)傳輸會產生額外的功耗開銷，但另一方面，如果部分功能模塊可以沿用成熟工藝節(jié)點，而非采用漏電率更高的先進工藝，就能實現(xiàn)功耗的節(jié)約，”Bhatnagar解釋道，“當芯片被拆分為多裸片后，原本芯片內部的標準單元互聯(lián)，就轉變?yōu)橥ㄟ^封裝實現(xiàn)的裸片間互聯(lián)。因此，單次大規(guī)模數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓模瑫h高于單片集成芯片內部的數(shù)據(jù)傳輸功耗。這是所有客戶都希望大幅改善的痛點；而作為UCIe和裸片間互聯(lián)IP核供應商，降低互聯(lián)功耗也是我們的首要目標——因為客戶在決定采用多裸片方案的那一刻，就會直面這一問題。”
多裸片封裝的經(jīng)濟性考量
從平面系統(tǒng)級芯片（SoC）轉向多裸片封裝的決策，經(jīng)濟性是核心考量因素之一。
“如果將整個SoC芯片遷移至2nm等先進工藝節(jié)點，晶圓成本——即單片裸片的成本會非常高昂。此外，若芯片設計規(guī)模較大，良率會偏低。高晶圓成本疊加低良率，最終會導致單顆芯片的成本居高不下，”Bhatnagar解釋道，“以GPU或高性能計算核心的遷移為例，采用多裸片方案后，設計人員只需將這部分核心模塊遷移至先進工藝節(jié)點，其余功能模塊則可繼續(xù)沿用成熟工藝。這種情況下，不僅晶圓成本和單顆芯片成本會降低，設計成本也能得到有效控制。例如，射頻（RF）接口模塊從多裸片方案中獲益有限，設計人員完全可以保留其成熟工藝方案——這部分模塊經(jīng)過充分驗證，性能穩(wěn)定可靠，不僅能降低設計成本，還能提升產品的整體可靠性，無需將所有模擬電路模塊重新設計并遷移至新工藝節(jié)點。”
過去幾年間，封裝成本也在持續(xù)下降。隨著新廠商入局，先進封裝技術的可及性顯著提升，設計人員也在積極利用這一利好條件。
多裸片方案的關鍵考量因素
芯片架構師通常是決定是否采用功能解耦方案的核心角色。他們會根據(jù)產品需求定義芯片功能，例如，超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心可能會要求芯片支持112、224或448 Gbps的傳輸吞吐量。
“基于這些需求，架構師會從IP核產品組合中篩選合適的方案，判斷其是否支持多裸片架構。”新思科技SoC工程高級總監(jiān)Shawn Nikoukary表示，“接下來需要重點考量功耗指標——尤其是在數(shù)據(jù)中心應用中，功耗是最重要的設計約束條件之一。因此，在架構設計階段，團隊必須充分挖掘所有可能的功耗優(yōu)化空間，而這往往會推動設計方案向先進封裝技術傾斜。為了在低功耗、小工藝節(jié)點下實現(xiàn)IP核的超高數(shù)據(jù)傳輸速率，采用先進封裝技術成為一種必然選擇。”
此外，還需考量架構設計和工具鏈的適配性。“多裸片方案的核心轉折點在于系統(tǒng)集成的復雜度，而非單純的工藝制程升級，”ChipAgents首席執(zhí)行官William Wang表示，“當系統(tǒng)級集成的各項指標（延遲、帶寬、電源域、復位機制、時鐘同步）無法通過單片集成的RTL設計和后期物理簽核進行可靠驗證時，先進封裝技術就成為必然選擇。芯粒的邊界，將架構設計的假設條件轉化為硬性的技術約束。一旦邏輯功能跨裸片分布，接口的正確性、延遲特性、協(xié)議規(guī)范以及電源和復位的響應行為，都必須被明確定義并持續(xù)驗證。這類隱性的設計違規(guī)，是導致芯片后期驗證失敗的主要原因之一。”
設計工具鏈本身也需要具備足夠的魯棒性。“工具鏈失效的根源，在于架構設計的意圖無法通過機器自動驗證。”William Wang指出，“技術規(guī)格文檔、設計示意圖、RTL代碼和集成腳本，都會隨著項目推進產生偏差。ChipAgents的核心優(yōu)勢在于，能夠將架構設計意圖轉化為RTL設計和集成階段的可自動驗證約束條件，并在封裝方案和芯片流片決策敲定前完成驗證。”
多裸片設計面臨著諸多相互交織的挑戰(zhàn)。盡管技術不斷進步，但EDA工具的發(fā)展速度仍落后于封裝技術的迭代步伐。“設計過程中必須開展仿真驗證，而信號完整性是其中的關鍵環(huán)節(jié)。”Shawn Nikoukary表示，“過去的封裝仿真主要針對PCB封裝，如今則需要針對芯片內部的硅基結構進行仿真。相關的仿真類型和工具正在快速發(fā)展。多裸片方案的決策并非由單一因素決定，而是需要綜合考量IP核、架構設計、生態(tài)系統(tǒng)和工具鏈等多個維度，是一個復雜的系統(tǒng)性問題。如今的封裝廠商正處于行業(yè)的核心位置——他們需要整合各類芯粒，解決熱學、電學、電磁干擾與壓降（EMIR）、力學等多物理場的仿真驗證問題，同時還需與生態(tài)伙伴協(xié)作，確保設計方案所需的工藝設計套件（PDK）能夠及時到位。只有這樣，當芯片設計完成時，新技術才能實現(xiàn)量產落地，同時保證良率達標。”
圖表：面向前期架構設計的一體化探索至簽核平臺，涵蓋功能需求分析、可行性驗證、原型設計及量產制造等環(huán)節(jié)。來源：新思科技（Synopsys）
不過，設計工具的性能也在持續(xù)提升。“與早期的先進封裝設計工具相比，如今的工具效率比手工布局高出10倍以上。”Shawn Nikoukary補充道，“工具鏈已全面引入人工智能技術實現(xiàn)自動化設計，相關技術仍在快速迭代。這并非是一個挑戰(zhàn)疊加另一個挑戰(zhàn)的困境，而是有越來越多的解決方案正在加速落地，行業(yè)也在不斷探索更高效的設計方法。例如，當一個封裝中需要集成50顆以上的芯粒時，傳統(tǒng)的設計流程和工具已經(jīng)完全無法滿足需求。”
那么，企業(yè)為何要選擇多裸片方案？“其核心目標是在降低成本的同時提升性能。”西門子EDA的Pratyush Kamal表示，“高帶寬內存（HBM）就是一個典型案例——它屬于系統(tǒng)集成的范疇，而非功能解耦。過去，內存芯片通常位于主板上（如DDR內存），而現(xiàn)在，HBM已被集成到封裝內部。”
類似的技術趨勢也出現(xiàn)在6G通信領域。“各國政府都在大力推動三維異構集成（3DHI）技術的發(fā)展，這是因為6G通信需要使用100GHz以上的頻譜資源。”Pratyush Kamal解釋道，“通信原理的基本常識告訴我們，天線的尺寸與載波波長直接相關，天線的間距不能小于某一臨界值。因此，當6G載波的波長進入微米級別時，天線就必須集成到封裝內部，形成完整的6G通信棧。美國國防高級研究計劃局（DARPA）正致力于推動這一技術的研發(fā)，其他國家的政府也在積極跟進。這是由物理原理決定的技術發(fā)展方向。美國正在推進的‘下一代微電子制造計劃（NGMM）’就是一例——該項目由DARPA和得克薩斯州政府聯(lián)合資助，西門子是合作方之一。2024年，得克薩斯電子研究所獲得了15億美元的資金支持，用于建設三維異構集成制造設施。美國超過20家企業(yè)和高校都參與了該項目。實現(xiàn)6G技術的全面系統(tǒng)級應用，是我們的最終目標。”
未來展望
那么，如何才能降低工程團隊向多裸片方案遷移的門檻？業(yè)內的普遍共識是：減少技術路線的選擇冗余。
“對于希望參與開放式芯粒生態(tài)或芯粒交易市場的用戶而言，當前面臨的一大挑戰(zhàn)是技術方案的多樣性過于繁雜，”楷登電子的Bhatnagar表示，“目前，芯粒的技術變體數(shù)量過多。我負責UCIe和定制化Ultralink裸片間互聯(lián)IP核的相關工作，因此十分清楚技術變體的龐大規(guī)模。去年，我在為新入職員工做培訓時提到，僅在單一工藝節(jié)點下，不考慮3D堆疊方案，僅2D和2.5D集成方案就可以衍生出32種UCIe技術變體。這恰恰是問題的癥結所在——當市場被切割為過多細分領域時，企業(yè)很難開發(fā)出具有廣泛市場吸引力的芯粒產品。畢竟，企業(yè)可能針對A市場啟動芯粒研發(fā)，但兩年后產品面市時，市場需求或許已經(jīng)轉向了C方向。因此，推動行業(yè)形成一定的技術共識與整合，將對多裸片技術的發(fā)展起到積極作用。”
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