后摩爾時代 Chiplet 技術的演進與挑戰

0 引言

自戈登?摩爾(Gordon Moore)提出，半導體芯片上集成的晶體管數量每 18～24 個月增加一倍。在過去五十多年里，集成電路制造工藝技術、封裝與測試技術、設計方法學和 EDA 工具等微電子相關技術跟隨摩爾定律的步伐始終保持著快速的發展。2019 年進入 7 nm 工藝制程。芯片經歷了從小規模集成電路（SSI）、中規模集成電路（MSI）、大規模集成電路（LSI）、超大規模集成電路（VLSI）到甚大規模集成電路（ULSI）、最大規模集成電路（ELSI）階段。近十年來，隨著信息通信業，以及以機器學習、大數據為代表的新興信息技術的飛速發展，片上系統 SoC（System on Chip）在提高產品性能、增加可靠性的同時，大幅降低了開發成本，縮短了開發周期，是半導體技術發展歷程中的一個重大里程碑。半導體工藝進入 28 nm 節點后，新制程的研發成本呈指數級增長，芯片工藝提升越來越困難，片上系統 SoC 設計面臨諸多挑戰。異構/異質集成激發了多芯片封裝（MCP）/多芯片模組（MCM）的發展，有望在當前芯片產業基礎上催生新的產業生態系統和新的商業模式[1]。半導體業進入后摩爾時代。

最近，Chiplet（小芯片、芯片粒）技術熱了起來，從美國國防高級研究計劃局 DARPA（Defense Advanced Research Projects Agency）的 CHIPS（Common Heterogeneous Integration and IP Reuse Strategies，通用異構集成及知識產權復用策略）項目到 Intel的 Foveros 技術、ODSA（Open Domain-Specific Architecture）開放架構等，都把 Chiplet 看成是未來芯片的重要基礎技術。本文試著從半導體工藝制程提升的難度、SoC 研發所面臨的問題出發，探討 Chiplet 的優勢、關鍵技術及發展趨勢，以期對行業人員了解 Chiplet 技術提供一定幫助。

1 片上系統 SoC 面臨的挑戰

SoC 起源于 1990 年代中期，隨著半導體技術的高速發展，異構多核的 SoC 成為集成電路 IC 設計的主流趨勢，是數字集成電路的主要實現形式。文獻[2-8]對片上多核系統從同構到異構的演進過程進行了詳細的闡述。

1.1 SoC 設計難度加大

SoC 是以超深亞微米工藝技術和知識產權核 IP 復用技術為支撐，將系統所需的處理器、存儲器、模擬電路模塊、數模混合信號模塊以及片上可編程邏輯等高度集成到一顆芯片中，以此縮小體積，增加功能，提高性能和可靠性，且還大幅縮短產品上市時間、降低開發成本。

基于 IP 核的 SoC 設計，首先要面對的是 IP 核的互聯問題。IP 的集成度越來越高，種類和復雜度急劇加大，IP 核間的互聯缺乏通用接口，內部互聯方式復雜化、多樣化，不同廠商 IP 核之間的互聯幾乎不可能。片上網絡成為片上系統內部互聯的主流方式，即 IP 核之間通過網絡結構來實現數據的傳輸。這種結構雖然可解決通用總線的問題，但還需建立高效的路由算法[4]。

基于 IP 核的 SoC 設計，要保證 IP 核的可重用性。首先要提高 IP 核代碼的通用性，使設計能夠方便地配置、裁剪和擴充。其次，IP 核應該能被方便地集成，這需要考慮 IP 核測試和低功耗技術的可重用性。對于處理器 IP 核，應考慮調試和接口的可重用性[6]。

總的說來，SoC 設計的關鍵技術主要包括 IP 可復用技術、總線架構技術、軟硬件協同設計、SoC 驗證、可靠性可測性設計、低功耗設計、超深亞微米電路實現技術等。SoC 所需要的仿真驗證時間越來越長。高性能 SoC 采用更先進的工藝技術，使得功率收斂和時序收斂的問題變得更加突出；越來越高的集成度需要龐大的 SoC 團隊軟硬件協同開發，有可能進一步拉低芯片良率，盈利風險明顯升高。

隨著 SoC 應用的不斷普及，市場需要更加廣泛的 SoC 設計。SoC 芯片提供商不僅要拓展系統內部設計能力，還要直接交付開發 SoC 的設計條件和方法，為客戶提供完整的解決方案。

1.2 新工藝制程的研發困難

SoC 芯片性能的提升與芯片的制造工藝息息相關。隨著半導體工藝的進步，在同等面積大小的區域里，擠進越來越多的硅電路，漏電流增加、散熱問題大、時鐘頻率增長減慢等問題難以解決，芯片設計的難度和復雜度也在進一步增加。圖 1 顯示了隨著設計遷移到高級工藝節點，開發成本的快速增長。例如 28 nm 節點上開發芯片需要 5 130 萬美元投入；16 nm 節點需要 1 億美元；在 7 nm 工藝節點上的成本超過 2.5 億美元。目前，市場上對 SoC 的需求是高性能、多品種，采用單片 IC 模式開發和實現 SoC，新工藝制程開發的 NRE（Non-Recurring Engineering）成本呈指數級增長且開發周期很長，增加的成本不能被攤薄，大多數企業不能接受。

芯片制造的過程極其復雜，影響良率的因素也非常多，其中影響最大的是晶圓尺寸、環境因素和技術成熟度三種因素。晶圓是圓形的，同時制造數量很多的芯片，一般中心區域的良率較高，而邊緣區良率較低。而且，不同的芯片有不同的大小。大的 Soc 芯片，有可能一片晶圓上只有幾百個甚至幾十個芯片；小的芯片，一個晶圓可以有成千上萬顆。環境因素，如塵埃、濕度、溫度和光照亮度，對晶圓良率、Die 良率和封測良率都會產生一定影響，因此芯片制造和封測都需要在超凈的工作環境中進行。新工藝剛出來的時候良率會很低，隨著生產的進行和導致低良率的因素被發現和改進，技術不斷成熟，則良率就會不斷地被提升。提升良率是半導體公司孜孜以求的目標。

圖 2 所示的芯片良率數學模型的曲線可以看出，芯片的良率與芯片的面積有關。隨著芯片面積增大，芯片良率會下降。一方面先進半導體工藝很昂貴，另一方面良率又隨著面積下降，兩相結合進一步推高芯片的成本。

2 Chiplet 的起源

Chiplet（小芯片、芯片粒、裸芯片）由于面積較小，因此其良率較好。基于裸芯片的 Chiplet 模式，也許可作為一種解方，帶給從上游 IC 設計、EDA 工具、制造工藝、先進封測等各個產業鏈環節顛覆式的改變，是 IC 業繼續發展最有效的手段，后摩爾定律時代確已降臨。

異構集成 Chiplet 系統中，產品的不同組件在獨立的裸片上設計和實現；不同的裸片可以使用不同的工藝節點制造，甚至可以由不同的供應商提供。第三方 Chiplet 可以減少設計時間和成本。異構集成 Chiplet 系統提供了一種新的設計方案。

2.1 Chiplet 發展的推動力

由于 Chiplet 面積較小，使用 Chiplet 在封裝內集成系統的辦法相比直接設計一塊大 SoC 的良率和成本有較大的改善。因此，良率和成本成為發展 Chiplet 的第一推動力。

發展 Chiplet 的另一個推動力就是異構計算和集成，是指器件封裝內部的異構集成。使用小芯片不需要為后續每個半導體制程節點重新設計每個小芯片，芯片廠商可以針對特定應用設計專用的高性能芯片粒，并且和其他通用芯片粒（例如內存，高速串行接口等）集成在封裝里，從而實現異構計算和集成以提升系統性能。

2.2 Chiplet 芯片與單片 SoC 等的比較

Chiplet 其實就是一顆商品化的、具有一定功能特征（如 USB、存儲器）的裸芯片（Die）。Chiplet 模式下，首先將需要實現的復雜功能進行分解，然后開發出多種具有單一特定功能，可相互進行模塊化組裝的裸芯片，如實現高性能計算、信號處理、數據存儲、數據傳輸等功能，并以此為基礎，建立一個 Chiplet 的芯片網絡，最后通過 SiP（System in Package）封裝技術形成一個完整的芯片。所以 Chiplet 也是一種 IP，但它是以芯片裸片的形式提供，而不是像SoC以軟件形式提供[5]。

Chiplet 解決了當前芯片技術發展的難題，大型最先進工藝的芯片，或者對性能、功耗和尺寸有超高要求，而價值比較高的芯片，適合做 Chiplet 的設計。另外，如果產品線復雜，每一個產品的量不夠大，Chiplet 的重用性可以滿足市場對高性能、多樣化芯片的巨大需求。Chiplet 芯片與單片 SoC 的比較（表 1）。

3 Chiplet 需要解決的關鍵技術

Chiplet 面臨著諸多挑戰，例如接口標準化、接口間巨大的數據量造成裸芯片和裸芯片間互聯所產生的大功耗，以及高成本所帶來的未來大規模化應用等課題。如何去劃分、定義這些小芯片的功能、接口、互聯協議等，Chiplet 的接口技術或封裝尚缺乏統一的標準。

3.1 die-to-die 通信技術

異構集成 Chiplet 方案需要在單個 MCM （Multichip Module）中實現從 die-to-die 的通信。目前 die-to-die 的通信有如下幾種技術：（1）傳統中長距離 SerDes 協議，如 PCI-Express、以太網等。（2）XSR or SiP SerDes[5]。基于傳統的SerDes體系結構，專門為die-to-die通信而構建，可在SiP內實現極高帶寬的鏈接。（3）USR Femto SerDes 協議。USR Femto SerDes協議專門為 die-to-die 通信而優化，在能效方面都有較大的提高，可使用現有的封裝技術，帶寬和成本比較均衡。（4）并行接口：高帶寬內存（HBM），高級接口總線（AIB），電線束（BoW）接口。BoW 是類似于 DDR 的內存接口。AIB/HBM 都實現了相對較高的帶寬密度，但也需要相對復雜的硅基互聯技術。

幾種協議的比較：上述 die-to-die 通信技術各有優缺點，需要根據應用進行選擇。并行接口如 BoW、AIB、HBM 提供低功耗、低延遲和高帶寬，但是裸片之間需要連接許多線路，只有使用昂貴的插接器或橋接技術才能滿足布線要求,成本較高。相對于并行接口，SerDes 可提供同樣的帶寬，但能效不高，比片上網絡延遲更大。系統設計人員在選擇 die-to-die 的互聯之前，應考慮與應用相關的所有要求。圖 3 總結了每個接口技術在各種相關參數上的相對優勢和劣勢。

3.2 多裸片封裝技術

在產品和市場需求的驅動下，實現了更高密度的集成，封裝技術在過去幾年經歷了革命性的轉變。對封裝的要求已經從單純地實現與外部世界的電氣和機械連接，發展到現在支持多芯片封裝中不同芯片之間的多種接口技術。

（1）多 Chiplet 封裝技術。將多個芯片和/或封裝集成到一個 MCM 中導致了更大的封裝尺寸，也導致信號線和空間有限。芯片之間的接口影響封裝技術的選擇，特別是需要集成多個芯片的基板。多芯片設計的封裝技術需要考慮以下因素：chip-to-chip 接口、成本限制和性能要求、多 Chiplet 封裝的總尺寸。

（2）并行接口集成封裝。并行接口，如 AIB、HBM，或者 BoW 接口，對封裝技術有嚴格的需求。BoW 的信號速度通常比串行解決方案慢一些，但芯片之間的互聯更多，根據芯片之間需要支持的帶寬大小，可以選擇不同的封裝技術。

（3）SerDes 集成封裝。USR SerDes 互聯技術的發展大大減少了半導體芯片之間通信所需的 I/O 總數，允許有機基質提供裸片之間的互聯。

4 結語

Chiplet 技術的發展需要生態系統的支持。Chiplet 生態系統不僅需要建立起標準化的開放接口，同時也要求在晶圓測試、發熱管理以及新型商業模式等領域實現技術共同進步，需要 EDA 工具提供商、芯片提供商、封測提供商都要提供全面支持。Chiplet、OSDA 將會大大降低芯片設計門檻，為芯片行業帶來新的變革，這也是中國半導體業發展的大好機遇。