Chiplet技術(shù)帶來的新“四化”
杰克?基爾比,集成電路,戈登?摩爾,摩爾定律,指數(shù)曲線,同構(gòu)集成,異構(gòu)集成,Chiplet,系統(tǒng)空間,功能密度,新四化,IP芯片化、集成異構(gòu)化、集成異質(zhì)化、IO增量化,EDA工具。
?引 子?1958年9月12日,溫和的巨人杰克?基爾比(Jack Kilby)發(fā)明了集成電路,當時沒有人知道,這項發(fā)明會給人類世界帶來如此大的改變。42年后,基爾比因為發(fā)明集成電路獲得了2000年諾貝爾物理學獎,“為現(xiàn)代信息技術(shù)奠定了基礎”是諾獎給予基爾比的中肯評價。科學技術(shù)的進步往往是由一連串夢想而推動的,集成電路自然也不例外。基爾比這位身高兩米,性格溫和穩(wěn)重的TI工程師的夢想就是:“用硅一種材料來制作電路所需的所有器件”。集成電路發(fā)明7年后,Intel創(chuàng)始人戈登?摩爾提出了他的預言式夢想:“集成電路上的器件數(shù)量每隔十八個月將翻一番”,這就是我們今天所熟知的摩爾定律。最終,他們都實現(xiàn)了自己的夢想,推動了科技的巨大進步。兩個偉大的夢想疊加在一起,也造就了今天的半導體產(chǎn)業(yè)。“所有的器件都可以在一個硅片上集成,器件數(shù)量將以指數(shù)方式增長”,這就是我們對兩個偉大的夢想的總結(jié)。六十多年后的今天,整個集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展依然以它們?yōu)榛?/span>
?從同構(gòu)到異構(gòu)?
事物的發(fā)展有其出現(xiàn)、發(fā)展、成熟、終結(jié)的過程,技術(shù)的發(fā)展也是如此。基爾比曾經(jīng)認為,在一種材料上做出所有電路需要的器件才是電路微型化的出路,只需要一種半導體材料就能將所有電子器件集成起來,今天,我們稱之為同構(gòu)集成 Homogeneous integration。在這篇文章里,我們重點討論的則是另一個技術(shù):異構(gòu)集成 Heterogeneous integration。首先,我們了解一下從同構(gòu)到異構(gòu)的發(fā)展過程。
從基爾比開始,人類就致力于在硅片上制作出電路所需要的所有器件,在摩爾定律的推動下,硅片上的器件數(shù)量以指數(shù)方式增長。今天,在一平方毫米的硅片上可集成的器件數(shù)量輕松超過一億只,主流芯片都集成了百億量級的晶體管。同構(gòu)集成技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)如此成熟,同樣不可避免地會經(jīng)歷走向終結(jié)的過程,在同構(gòu)集成逐漸成熟并難以再持續(xù)發(fā)展的過程中,人類必須尋找一種新的集成方式來延續(xù),這就是異構(gòu)集成。異構(gòu)集成中有一個重點概念我們需要理解,這就是Chiplet,Chiplet意為小芯片,就是將現(xiàn)有的大芯片切割成小芯片,然后再進行集成。為什么要將大芯片切割成Chiplet,這就是我們下面要講述的Chiplet技術(shù)帶來的新“四化”。
除了大芯片切割為Chiplet,芯片上的器件數(shù)量也不再以指數(shù)方式增長,也就是摩爾定律終將走向終結(jié)。筆者認為:“器件將以多種方式集成,系統(tǒng)空間內(nèi)的功能密度將持續(xù)增長”。關(guān)于摩爾定律的終結(jié)、系統(tǒng)空間、功能密度等詳細內(nèi)容請參看即將出版的新書《基于SiP技術(shù)的微系統(tǒng)》。Chiplet技術(shù)的出現(xiàn)帶來了芯片設計的新變化,我們簡單描述為:IP芯片化、集成異構(gòu)化、集成異質(zhì)化、IO增量化,簡稱為新“四化”。
?Chiplet技術(shù)?Chiplet顧名思義就是小芯片,我們可以把它想象成樂高積木的高科技版本。首先將復雜功能進行分解,然后開發(fā)出多種具有單一特定功能,可進行模塊化組裝的“小芯片”(Chiplet),如實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲、計算、信號處理、數(shù)據(jù)流管理等功能,并以此為基礎,建立一個“小芯片”的集成系統(tǒng)。簡單來說,Chiplet技術(shù)就是像搭積木一樣,把一些預先生產(chǎn)好的實現(xiàn)特定功能的芯片裸片(die)通過先進的集成技術(shù)封裝在一起形成一個系統(tǒng)級芯片,而這些基本的裸片就是Chiplet。Chiplet芯片可以使用更可靠和更便宜的技術(shù)制造。較小的硅片本身也不太容易產(chǎn)生制造缺陷。此外,Chiplet芯片也不需要采用同樣的工藝,不同工藝生產(chǎn)制造的Chiplet可以通過SiP技術(shù)有機地結(jié)合在一起。
?1.??IP芯片化?IP(Intelligent Property)是具有知識產(chǎn)權(quán)核的集成電路的總稱,是經(jīng)過反復驗證過的、具有特定功能的宏模塊,可以移植到不同的半導體工藝中。到了SoC階段,IP核設計已成為ASIC電路設計公司和FPGA提供商的重要任務,也是其實力的體現(xiàn)。對于芯片開發(fā)軟件,其提供的IP核越豐富,用戶的設計就越方便,其市場占用率就越高。目前,IP核已經(jīng)變成SoC系統(tǒng)設計的基本單元,并作為獨立設計成果被交換、轉(zhuǎn)讓和銷售。IP核對應描述功能行為的不同分為三類,即軟核(Soft IP Core)、固核(Firm IP Core)和硬核(Hard IP Core)。當IP硬核是以硅片的形式提供時,就變成了Chiplet。我們可以這么理解:SiP中的Chiplet就對應于SoC中的IP硬核。Chiplet 就是一個新的 IP 重用模式,就是硅片級別的IP重用。設計一個SoC系統(tǒng)級芯片,以前的方法是從不同的 IP 供應商購買一些 IP,軟核、固核或硬核,結(jié)合自研的模塊,集成為一個 SoC,然后在某個芯片工藝節(jié)點上完成芯片設計和生產(chǎn)的完整流程。有了Chiplet以后,對于某些 IP,就不需要自己做設計和生產(chǎn)了,而只需要買別人實現(xiàn)好的硅片,然后在一個封裝里集成起來,形成一個 SiP。所以 Chiplet 可以看成是一種硬核形式的 IP,但它是以芯片的形式提供的。因此,我們稱之為IP芯片化。
?2.? 集成異構(gòu)化?HeteroStructure?Integration在半導體集成中,Heterogeneous 是異構(gòu)異質(zhì)的含義,在這里我們將其分為異構(gòu)HeteroStructure和異質(zhì)HeteroMaterial兩個層次的含義。在這篇文章中,異構(gòu)集成HeteroStructure Integration主要指將多個不同工藝單獨制造的芯片封裝到一個封裝內(nèi)部,以增強功能性和提高工作性能,可以對采用不同工藝、不同功能、不同制造商制造的組件進行封裝。例如上圖所示:將7nm、10nm、28nm、45nm的Chiplet通過異構(gòu)集成技術(shù)封裝在一起。通過異構(gòu)集成技術(shù),工程師可以像搭積木一樣,在芯片庫里將不同工藝的Chiplet小芯片組裝在一起。
?3.? 集成異質(zhì)化?HeteroMaterial Integration近年來集成硅(CMOS和BiCMOS)射頻技術(shù)已經(jīng)在功率上取得巨大的進步,同時也將頻率擴展到了100GHz左右。然而還有眾多應用只能使用像磷化銦(InP)和氮化鎵(GaN)這樣的化合物半導體技術(shù)才能實現(xiàn)。磷化銦能提供最大頻率為1太赫茲的晶體管,具備高增益和高功率,以及超高速混合信號電路。而氮化鎵能使器件具備大帶寬、高擊穿電壓、以及高達100GHZ的輸出功率。因此將不同材料的半導體集成為一體——即異質(zhì)集成HeteroMaterial Integration,可產(chǎn)生尺寸小、經(jīng)濟性好、設計靈活性高、系統(tǒng)性能更佳的產(chǎn)品。如下圖所示,將Si、GaN、SiC、InP生產(chǎn)加工的Chiplet通過異質(zhì)集成技術(shù)封裝到一起,形成不同材料的半導體在同一款封裝內(nèi)協(xié)同工作的場景。在單個襯底上橫向集成不同材料的半導體器件(硅和化合物半導體)以及無源元件(包括濾波器和天線)等是Chiplet應用中比較常見的集成方式。需要讀者注意的是,目前不同材料的多芯片集成主要采用橫向平鋪的方式在基板上集成,對于縱向堆疊集成,則傾向于堆疊中的芯片采用同種材質(zhì),從而避免了由于熱膨脹系統(tǒng)等參數(shù)的不一致而導致的產(chǎn)品可靠性降低,如下圖所示。
?4.? IO增量化?如果說前面的“三化”是Chiplet技術(shù)的優(yōu)勢,那么,IO增量化則給Chiplet帶來了挑戰(zhàn)。IO增量化體現(xiàn)在水平互聯(lián)(RDL)的的增量化,同時也體現(xiàn)在垂直互聯(lián)(TSV)的增量化。在傳統(tǒng)的封裝設計中,IO數(shù)量一般控制在幾百或者數(shù)千個,Bondwire工藝一般支持的IO數(shù)量最多數(shù)百個,當IO數(shù)量超過一千個時,多采用FlipChip工藝。在Chiplet設計中,IO數(shù)量有可能多達幾十萬個,為什么會有這么大的IO增量呢?我們知道,一塊PCB的對外接口通常不超過幾十個,一款封裝對外的接口為幾百個到數(shù)千個,而在芯片內(nèi)部,晶體管之間的互聯(lián)數(shù)量則可能多達數(shù)十億到數(shù)百億個。越往芯片內(nèi)層深入,其互聯(lián)的數(shù)量會急劇增大。Chiplet是大芯片被切割成的小芯片,其間的互聯(lián)自然不會少,經(jīng)常一款Chiplet封裝的硅轉(zhuǎn)接板超過100K 的TSV,250K 的互聯(lián),這在傳統(tǒng)封裝設計中是難以想象的。由于IO的增量化,Chiplet的設計也對EDA軟件提出了新的挑戰(zhàn),Chiplet技術(shù)需要EDA工具從架構(gòu)探索、芯片設計、物理及封裝實現(xiàn)等提供全面支持,以在各個流程提供智能、優(yōu)化的輔助,避免人為引入問題和錯誤。Cadence、Synopsys、Siemens EDA(Mentor)等傳統(tǒng)的集成電路EDA公司都相繼推出支撐Chiplet集成的設計仿真驗證工具。例如Siemens EDA推出的XSI XPD Hyperlynx DRC Calibre 3DSTACK設計驗證套件,為Chiplet及高密度先進封裝HDAP技術(shù)提供了高效的設計環(huán)境和可靠的質(zhì)量控制保證,已經(jīng)在TSMC的CoWoS和INFO等流程中得到應用。詳細的設計、仿真、驗證方法,請參考即將出版的新書《基于SiP技術(shù)的微系統(tǒng)》。
?總 結(jié)?從基爾比開始,同構(gòu)集成技術(shù)經(jīng)過六十多年的發(fā)展,已經(jīng)相當成熟,并逐漸走向極致,同時,摩爾定律以指數(shù)增長的趨勢也難以為繼,人類必須尋找一種新的集成方式來進行延續(xù),這就是異構(gòu)集成。異構(gòu)集成以更靈活的方式讓功能單位在系統(tǒng)空間進行集成,并讓系統(tǒng)空間的功能密度持續(xù)增長,只是這種增長不再以指數(shù)方式增長。異構(gòu)集成的單元可稱之為Chiplet,Chiplet技術(shù)給集成電路產(chǎn)業(yè)帶來了新的變化,該技術(shù)既有新的優(yōu)勢也帶來了新的挑戰(zhàn)。總結(jié)一下,Chiplet帶給集成技術(shù)的新變化就是:IP芯片化、集成異構(gòu)化、集成異質(zhì)化、IO增量化,我們稱之為Chiplet技術(shù)帶來的新“四化”。
- New book:
新書《基于SiP技術(shù)的微系統(tǒng)》將會在近日由電子工業(yè)出版社(PHEI)正式出版,屆時,京東,當當,淘寶等各大網(wǎng)站及書店均會有售,敬請期待!該書內(nèi)容涵蓋“概念和技術(shù)”、“設計和仿真”、“項目和案例”三大方面,包含30章內(nèi)容,總共約110萬字(約650頁)。
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