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  Multi-die芯片系統(tǒng)被細(xì)分成多個(gè)功能電路模塊，這些電路塊被稱為小裸片(small die)或者小芯片(chiplet)。這些小芯片通常采用不同的工藝節(jié)點(diǎn)制造，并被集成到單個(gè)封裝中。它能夠滿足嚴(yán)苛的PPA目標(biāo)，是值得開(kāi)發(fā)者努力的方向。先進(jìn)的芯片封裝技術(shù)在創(chuàng)新過(guò)程中必將起到主要作用。

  Multi-die系統(tǒng)級(jí)封裝(SiP)具有以下優(yōu)勢(shì)：

  ●可開(kāi)發(fā)具有更多功能的產(chǎn)品

  ●可通過(guò)更換裸片快速開(kāi)發(fā)出多個(gè)SKU

  ●可使用經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的裸片，減少開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)

  ●與使用兩個(gè)獨(dú)立的芯片相比，multi-die吞吐量更高，系統(tǒng)功耗更低

  ●可優(yōu)化系統(tǒng)外形尺寸，降低系統(tǒng)成本

  ●與使用兩個(gè)獨(dú)立的芯片相比，裸片間的低延遲可以提高系統(tǒng)性能

  封裝行業(yè)有一系列技術(shù)可支持multi-die設(shè)計(jì)，例如：標(biāo)準(zhǔn)的2D封裝、2.5D先進(jìn)封裝，以及3D堆疊裸片，但沒(méi)有哪個(gè)封裝技術(shù)是可以適合所有產(chǎn)品的。選擇哪種封裝方式將取決于產(chǎn)品的PPA和成本目標(biāo)。

簡(jiǎn)單介紹幾種最新的多芯片模塊(MCM)封裝類型，并重點(diǎn)闡述die-to-die(D2D)IP如何通過(guò)這些封裝來(lái)更好地支持設(shè)計(jì)流程。

  四大先進(jìn)芯片封裝類型

  下一波系統(tǒng)設(shè)計(jì)浪潮將以先進(jìn)封裝中的小芯片為主導(dǎo)。這些小芯片本質(zhì)上也是集成電路，專門(mén)用來(lái)與其他裸片一起打造更大、更復(fù)雜的芯片，且可以被集成到先進(jìn)的MCM封裝中。小芯片通常由可重復(fù)使用的IP塊組成。

  不同的封裝類型在組裝、密度和復(fù)雜性方面各不相同。圖1介紹了主要的封裝類型以及它們?cè)诓煌瑧?yīng)用中的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)。

圖1：主要的先進(jìn)封裝類型概覽

  有機(jī)襯底

  有機(jī)襯底可以支持低密度的IO排布，D2D連接較少。這種2D類型的標(biāo)準(zhǔn)封裝相對(duì)便宜，在半導(dǎo)體行業(yè)中使用廣泛。與2.5D和3D封裝不同，有機(jī)襯底封裝并不存在脆弱的微凸塊，并且由于工藝已十分成熟，所以往往良率更高。它具有可測(cè)試性功能(對(duì)已知合格裸片進(jìn)行低成本晶圓級(jí)篩選)，但無(wú)法對(duì)故障連接進(jìn)行測(cè)試和修復(fù)。

此外，有機(jī)襯底還具有良好的散熱性和低翹曲性，支持大規(guī)模SiP集成，且無(wú)掩模板限制。

  重分布層(RDL)扇出

相對(duì)較新的RDL扇出型(Fan-Out)封裝尚未得到廣泛使用，其密度與硅中介層相似，但復(fù)雜性和成本卻更低。扇出是一種先進(jìn)封裝類型，可以組裝一個(gè)或多個(gè)裸片，從而為各種物聯(lián)網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算應(yīng)用帶來(lái)更好的性能和更多的IO。RDL由銅金屬連接線組成，將封裝的一部分與另一部分進(jìn)行電氣連接。在RDL扇出型封裝中，RDL可向內(nèi)和向外布線，這使得封裝更薄且能擁有更多的IO。

  硅中介層

在硅中介層中，連接裸片的地方叫做中介層，用來(lái)連接兩個(gè)裸片。這種2.5D型封裝通過(guò)使用微凸塊(一種堆疊裸片垂直互連技術(shù))實(shí)現(xiàn)密集連接。由于這種封裝類型的組裝十分復(fù)雜，加上微凸塊脆弱易損，因此存在較多的良率問(wèn)題。封裝廠商通過(guò)質(zhì)保措施和D2D接口測(cè)試及修復(fù)機(jī)制解決了這個(gè)問(wèn)題。硅中介層擁有數(shù)千條并行的線路，這些線路可用于測(cè)試連接性、確定是否存在中斷，并且能夠在需要時(shí)重新布線。例如，如果一個(gè)接口有1000條線路，那么在設(shè)計(jì)PHY時(shí)就要當(dāng)作有1100條線路，提供10%的冗余，以便在發(fā)生故障時(shí)可以重新布線。但硅中介層很難為已知合格裸片篩選晶圓。此外，這種封裝類型減少了熱耗散，并且中介層的大小受限于掩模板的尺寸。

  混合鍵合封裝

作為一種3D堆疊封裝技術(shù)，混合鍵合封裝實(shí)現(xiàn)了最高的密度和電源效率。它提供用于連接的硅通孔(TSV)，將兩個(gè)晶圓粘合到一起并作為一個(gè)整體發(fā)揮作用，如此一來(lái)，驅(qū)動(dòng)通道時(shí)就不會(huì)浪費(fèi)功耗，并且可以根據(jù)需要降低每個(gè)IO的功耗。與中介層相比，混合鍵合技術(shù)對(duì)復(fù)雜性和成本提出了更高的要求。這種技術(shù)非常適用于需要大量計(jì)算能力和低延遲的AI訓(xùn)練引擎等應(yīng)用。在混合鍵合封裝中的處理器上堆疊內(nèi)存，可以提供所需的性能并滿足低延遲要求。

  D2D連接：推動(dòng)力

雖然先進(jìn)封裝方案讓開(kāi)發(fā)者能夠按照SysMoore時(shí)代的需求擴(kuò)展和發(fā)展他們的產(chǎn)品，但D2D連接也起到了推動(dòng)作用。過(guò)去，開(kāi)發(fā)者會(huì)先創(chuàng)建SoC，然后再操心封裝問(wèn)題。如今，他們必須采用協(xié)同開(kāi)發(fā)的方法將系統(tǒng)、裸片和封裝結(jié)合到一起，并確保它們都能按照預(yù)期協(xié)同工作。是什么將所有這些部分都連接到一起了呢?

  答案是D2D接口。

  D2D接口是一個(gè)很小的模塊，支持封裝兩個(gè)或兩個(gè)以上裸片之間的通信。這種接口需要針對(duì)每個(gè)特定封裝類型的特點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化。例如，中介層不支持通道之間極高的速度，高速D2D接口IP則可以填補(bǔ)這一空白。同樣地，有機(jī)襯底的通道特性更好，可支持更長(zhǎng)的傳輸距離和更高的數(shù)據(jù)速率，因此可以選擇接口IP。

D2D接口行業(yè)相對(duì)年輕，許多接口是以專有的方式進(jìn)行開(kāi)發(fā)，只鎖定一個(gè)產(chǎn)品。使用標(biāo)準(zhǔn)可以確保您能夠不斷改進(jìn)自己的產(chǎn)品，且無(wú)需擔(dān)心互操作性問(wèn)題或其他開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。

  四個(gè)不同的聯(lián)盟管理著整個(gè)封裝生態(tài)系統(tǒng)的五個(gè)標(biāo)準(zhǔn)：

  ●OIF管理的XSR標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)速率為112G/224G，適用于光學(xué)網(wǎng)絡(luò)的2D封裝。

  ●CHIPS ALLIANCE管理的AIB標(biāo)準(zhǔn)，覆蓋6G數(shù)據(jù)速率，適用于通常針對(duì)軍事航空生態(tài)系統(tǒng)的橋接封裝。

  ●UCIe數(shù)據(jù)速率為16G/32G，適用于2D、2.5D和橋接封裝類型。UCIe面向通過(guò)PCIe和CXL進(jìn)行流式傳輸和聚合的擴(kuò)展和拆分用例。

  ●開(kāi)放計(jì)算項(xiàng)目負(fù)責(zé)BOW和OHBI標(biāo)準(zhǔn)，二者的數(shù)據(jù)速率為8G/16G，適用于2D和2.5D封裝。BOW面向關(guān)注成本的聚合用例，而OHBI則面向數(shù)據(jù)中心高密度規(guī)模和拆分用例。

隨著時(shí)間的推移，其中有些標(biāo)準(zhǔn)可能會(huì)因市場(chǎng)需求而變得不再那么重要。在所有這些標(biāo)準(zhǔn)中，UCIe有可能成為一個(gè)真正通用和全面的D2D接口標(biāo)準(zhǔn)。除了提供最引人注目的PPA指標(biāo)，這項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)還涵蓋了最廣泛的用例和所有的multi-die芯片封裝類型。UCIe是一個(gè)完整的協(xié)議棧，支持原始用戶定義的流式傳輸、PCIe(非相干)和CXL(相干)。此外，UCIe還具有前瞻性，支持每個(gè)引腳高達(dá)32Gbps的數(shù)據(jù)速率。這項(xiàng)新興規(guī)范贏得了橫跨所有行業(yè)領(lǐng)域的廣泛生態(tài)系統(tǒng)的支持，其中包括超大規(guī)模廠商、CPU供應(yīng)商、代工廠、外包半導(dǎo)體組裝和測(cè)試(OSAT)、IP供應(yīng)商和聚合商。

  多種基于標(biāo)準(zhǔn)的D2D接口組合

  新思科技提供業(yè)界最廣泛的D2D標(biāo)準(zhǔn)接口IP，為各類標(biāo)準(zhǔn)組織做出了貢獻(xiàn)，并助力企業(yè)發(fā)揮不同封裝類型的優(yōu)勢(shì)。新思科技D2D IP解決方案包括：

  ●完整的112G XSR IP解決方案，包括多通道PHY和一個(gè)具有前向糾錯(cuò)和重放功能的D2D控制器，可提供可靠的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行中心(NOC)到NOC鏈接

  ●完整的UCIe IP解決方案，包括帶寬高達(dá)4Tbps的多模塊PHY，可支持標(biāo)準(zhǔn)封裝和先進(jìn)封裝

  ●支持流式傳輸、CXL和PCIe協(xié)議的控制器，以及到CXS和AXI的橋接，實(shí)現(xiàn)NOC到NOC的無(wú)縫鏈接

  Multi-die設(shè)計(jì)能夠滿足HPC和AI等計(jì)算密集型應(yīng)用的可擴(kuò)展解決方案的需求，即在不影響成本或良率的情況下提高性能。在SysMoore時(shí)代，系統(tǒng)和規(guī)模的日趨復(fù)雜推動(dòng)著持續(xù)創(chuàng)新，先進(jìn)芯片封裝技術(shù)作為代表之一至關(guān)重要。