后摩尔时代Chiplet技术的演进与挑战

后摩尔时代 Chiplet 技术的演进与挑战

0 引言

自戈登•摩尔(Gordon Moore)提出，半导体芯片上集成的晶体管数量每 18～24 个月增加一倍。在过去五十多年里，集成电路制造工艺技术、封装与测试技术、设计方法学和 EDA 工具等微电子相关技术跟随摩尔定律的步伐始终保持着快速的发展。2019 年进入 7 nm 工艺制程。芯片经历了从小规模集成电路（SSI）、中规模集成电路（MSI）、大规模集成电路（LSI）、超大规模集成电路（VLSI）到甚大规模集成电路（ULSI）、最大规模集成电路（ELSI）阶段。近十年来，随着信息通信业，以及以机器学习、大数据为代表的新兴信息技术的飞速发展，片上系统 SoC（System on Chip）在提高产品性能、增加可靠性的同时，大幅降低了开发成本，缩短了开发周期，是半导体技术发展历程中的一个重大里程碑。半导体工艺进入 28 nm 节点后，新制程的研发成本呈指数级增长，芯片工艺提升越来越困难，片上系统 SoC 设计面临诸多挑战。异构/异质集成激发了多芯片封装（MCP）/多芯片模组（MCM）的发展，有望在当前芯片产业基础上催生新的产业生态系统和新的商业模式[1]。半导体业进入后摩尔时代。

最近，Chiplet（小芯片、芯片粒）技术热了起来，从美国国防高级研究计划局 DARPA（Defense Advanced Research Projects Agency）的 CHIPS（Common Heterogeneous Integration and IP Reuse Strategies，通用异构集成及知识产权复用策略）项目到 Intel的 Foveros 技术、ODSA（Open Domain-Specific Architecture）开放架构等，都把 Chiplet 看成是未来芯片的重要基础技术。本文试着从半导体工艺制程提升的难度、SoC 研发所面临的问题出发，探讨 Chiplet 的优势、关键技术及发展趋势，以期对行业人员了解 Chiplet 技术提供一定帮助。

1 片上系统 SoC 面临的挑战

SoC 起源于 1990 年代中期，随着半导体技术的高速发展，异构多核的 SoC 成为集成电路 IC 设计的主流趋势，是数字集成电路的主要实现形式。文献[2-8]对片上多核系统从同构到异构的演进过程进行了详细的阐述。

1.1 SoC 设计难度加大

SoC 是以超深亚微米工艺技术和知识产权核 IP 复用技术为支撑，将系统所需的处理器、存储器、模拟电路模块、数模混合信号模块以及片上可编程逻辑等高度集成到一颗芯片中，以此缩小体积，增加功能，提高性能和可靠性，且还大幅缩短产品上市时间、降低开发成本。

基于 IP 核的 SoC 设计，首先要面对的是 IP 核的互联问题。IP 的集成度越来越高，种类和复杂度急剧加大，IP 核间的互联缺乏通用接口，内部互联方式复杂化、多样化，不同厂商 IP 核之间的互联几乎不可能。片上网络成为片上系统内部互联的主流方式，即 IP 核之间通过网络结构来实现数据的传输。这种结构虽然可解决通用总线的问题，但还需建立高效的路由算法[4]。

基于 IP 核的 SoC 设计，要保证 IP 核的可重用性。首先要提高 IP 核代码的通用性，使设计能够方便地配置、裁剪和扩充。其次，IP 核应该能被方便地集成，这需要考虑 IP 核测试和低功耗技术的可重用性。对于处理器 IP 核，应考虑调试和接口的可重用性[6]。

总的说来，SoC 设计的关键技术主要包括 IP 可复用技术、总线架构技术、软硬件协同设计、SoC 验证、可靠性可测性设计、低功耗设计、超深亚微米电路实现技术等。SoC 所需要的仿真验证时间越来越长。高性能 SoC 采用更先进的工艺技术，使得功率收敛和时序收敛的问题变得更加突出；越来越高的集成度需要庞大的 SoC 团队软硬件协同开发，有可能进一步拉低芯片良率，盈利风险明显升高。

随着 SoC 应用的不断普及，市场需要更加广泛的 SoC 设计。SoC 芯片提供商不仅要拓展系统内部设计能力，还要直接交付开发 SoC 的设计条件和方法，为客户提供完整的解决方案。

1.2 新工艺制程的研发困难

SoC 芯片性能的提升与芯片的制造工艺息息相关。随着半导体工艺的进步，在同等面积大小的区域里，挤进越来越多的硅电路，漏电流增加、散热问题大、时钟频率增长减慢等问题难以解决，芯片设计的难度和复杂度也在进一步增加。图 1 显示了随着设计迁移到高级工艺节点，开发成本的快速增长。例如 28 nm 节点上开发芯片需要 5 130 万美元投入；16 nm 节点需要 1 亿美元；在 7 nm 工艺节点上的成本超过 2.5 亿美元。目前，市场上对 SoC 的需求是高性能、多品种，采用单片 IC 模式开发和实现 SoC，新工艺制程开发的 NRE（Non-Recurring Engineering）成本呈指数级增长且开发周期很长，增加的成本不能被摊薄，大多数企业不能接受。

芯片制造的过程极其复杂，影响良率的因素也非常多，其中影响最大的是晶圆尺寸、环境因素和技术成熟度三种因素。晶圆是圆形的，同时制造数量很多的芯片，一般中心区域的良率较高，而边缘区良率较低。而且，不同的芯片有不同的大小。大的 Soc 芯片，有可能一片晶圆上只有几百个甚至几十个芯片；小的芯片，一个晶圆可以有成千上万颗。环境因素，如尘埃、湿度、温度和光照亮度，对晶圆良率、Die 良率和封测良率都会产生一定影响，因此芯片制造和封测都需要在超净的工作环境中进行。新工艺刚出来的时候良率会很低，随着生产的进行和导致低良率的因素被发现和改进，技术不断成熟，则良率就会不断地被提升。提升良率是半导体公司孜孜以求的目标。

图 2 所示的芯片良率数学模型的曲线可以看出，芯片的良率与芯片的面积有关。随着芯片面积增大，芯片良率会下降。一方面先进半导体工艺很昂贵，另一方面良率又随着面积下降，两相结合进一步推高芯片的成本。

2 Chiplet 的起源

Chiplet（小芯片、芯片粒、裸芯片）由于面积较小，因此其良率较好。基于裸芯片的 Chiplet 模式，也许可作为一种解方，带给从上游 IC 设计、EDA 工具、制造工艺、先进封测等各个产业链环节颠覆式的改变，是 IC 业继续发展最有效的手段，后摩尔定律时代确已降临。

异构集成 Chiplet 系统中，产品的不同组件在独立的裸片上设计和实现；不同的裸片可以使用不同的工艺节点制造，甚至可以由不同的供应商提供。第三方 Chiplet 可以减少设计时间和成本。异构集成 Chiplet 系统提供了一种新的设计方案。

2.1 Chiplet 发展的推动力

由于 Chiplet 面积较小，使用 Chiplet 在封装内集成系统的办法相比直接设计一块大 SoC 的良率和成本有较大的改善。因此，良率和成本成为发展 Chiplet 的第一推动力。

发展 Chiplet 的另一个推动力就是异构计算和集成，是指器件封装内部的异构集成。使用小芯片不需要为后续每个半导体制程节点重新设计每个小芯片，芯片厂商可以针对特定应用设计专用的高性能芯片粒，并且和其他通用芯片粒（例如内存，高速串行接口等）集成在封装里，从而实现异构计算和集成以提升系统性能。

2.2 Chiplet 芯片与单片 SoC 等的比较

Chiplet 其实就是一颗商品化的、具有一定功能特征（如 USB、存储器）的裸芯片（Die）。Chiplet 模式下，首先将需要实现的复杂功能进行分解，然后开发出多种具有单一特定功能，可相互进行模块化组装的裸芯片，如实现高性能计算、信号处理、数据存储、数据传输等功能，并以此为基础，建立一个 Chiplet 的芯片网络，最后通过 SiP（System in Package）封装技术形成一个完整的芯片。所以 Chiplet 也是一种 IP，但它是以芯片裸片的形式提供，而不是像SoC以软件形式提供[5]。

Chiplet 解决了当前芯片技术发展的难题，大型最先进工艺的芯片，或者对性能、功耗和尺寸有超高要求，而价值比较高的芯片，适合做 Chiplet 的设计。另外，如果产品线复杂，每一个产品的量不够大，Chiplet 的重用性可以满足市场对高性能、多样化芯片的巨大需求。Chiplet 芯片与单片 SoC 的比较（表 1）。

3 Chiplet 需要解决的关键技术

Chiplet 面临着诸多挑战，例如接口标准化、接口间巨大的数据量造成裸芯片和裸芯片间互联所产生的大功耗，以及高成本所带来的未来大规模化应用等课题。如何去划分、定义这些小芯片的功能、接口、互联协议等，Chiplet 的接口技术或封装尚缺乏统一的标准。

3.1 die-to-die 通信技术

异构集成 Chiplet 方案需要在单个 MCM （Multichip Module）中实现从 die-to-die 的通信。目前 die-to-die 的通信有如下几种技术：（1）传统中长距离 SerDes 协议，如 PCI-Express、以太网等。（2）XSR or SiP SerDes[5]。基于传统的SerDes体系结构，专门为die-to-die通信而构建，可在SiP内实现极高带宽的链接。（3）USR Femto SerDes 协议。USR Femto SerDes协议专门为 die-to-die 通信而优化，在能效方面都有较大的提高，可使用现有的封装技术，带宽和成本比较均衡。（4）并行接口：高带宽内存（HBM），高级接口总线（AIB），电线束（BoW）接口。BoW 是类似于 DDR 的内存接口。AIB/HBM 都实现了相对较高的带宽密度，但也需要相对复杂的硅基互联技术。

几种协议的比较：上述 die-to-die 通信技术各有优缺点，需要根据应用进行选择。并行接口如 BoW、AIB、HBM 提供低功耗、低延迟和高带宽，但是裸片之间需要连接许多线路，只有使用昂贵的插接器或桥接技术才能满足布线要求,成本较高。相对于并行接口，SerDes 可提供同样的带宽，但能效不高，比片上网络延迟更大。系统设计人员在选择 die-to-die 的互联之前，应考虑与应用相关的所有要求。图 3 总结了每个接口技术在各种相关参数上的相对优势和劣势。

3.2 多裸片封装技术

在产品和市场需求的驱动下，实现了更高密度的集成，封装技术在过去几年经历了革命性的转变。对封装的要求已经从单纯地实现与外部世界的电气和机械连接，发展到现在支持多芯片封装中不同芯片之间的多种接口技术。

（1）多 Chiplet 封装技术。将多个芯片和/或封装集成到一个 MCM 中导致了更大的封装尺寸，也导致信号线和空间有限。芯片之间的接口影响封装技术的选择，特别是需要集成多个芯片的基板。多芯片设计的封装技术需要考虑以下因素：chip-to-chip 接口、成本限制和性能要求、多 Chiplet 封装的总尺寸。

（2）并行接口集成封装。并行接口，如 AIB、HBM，或者 BoW 接口，对封装技术有严格的需求。BoW 的信号速度通常比串行解决方案慢一些，但芯片之间的互联更多，根据芯片之间需要支持的带宽大小，可以选择不同的封装技术。

（3）SerDes 集成封装。USR SerDes 互联技术的发展大大减少了半导体芯片之间通信所需的 I/O 总数，允许有机基质提供裸片之间的互联。

4 结语

Chiplet 技术的发展需要生态系统的支持。Chiplet 生态系统不仅需要建立起标准化的开放接口，同时也要求在晶圆测试、发热管理以及新型商业模式等领域实现技术共同进步，需要 EDA 工具提供商、芯片提供商、封测提供商都要提供全面支持。Chiplet、OSDA 将会大大降低芯片设计门槛，为芯片行业带来新的变革，这也是中国半导体业发展的大好机遇。