摘要：在后摩尔时代，集成电路设计理念正向Chiplet架构转变。本文从D2D接口IP设计，D2D封装和D2D测试三个方面介绍了Chiplet D2D的解决方案，并给出了采用此解决方案的XSR 112G D2D的测试结果。
摘要：在后摩尔时代，集成电路设计理念正向Chiplet架构转变。本文从D2D接口IP设计，D2D封装和D2D测试三个方面介绍了Chiplet D2D的解决方案，并给出了采用此解决方案的XSR 112G D2D的测试结果。
后摩尔时代向Chiplet的战略转变
当前摩尔定律逐步趋向物理极限，半导体行业正在发生重大的战略转变。基于Chiplet（芯粒或小芯片）架构的芯片设计理念逐渐成为行业主流。这一战略转变的驱动因素主要有以下几种：
- 单芯片的尺寸变得太大，无法制造；
- 充分利用已有KGD（Known Good Die）芯片实现复杂功能芯片，可以减少设计周期和成本，并提高良率。
在这些驱动因素下，整个Chiplet行业在2031年有望达到471.9亿美元[1]。如图1所示，Chiplet市场在2021~2031十年期年复合增长率保持36.4%；其中实现Die to Die（D2D）互连的接口IP市场在2026达到3.24亿美元[2]，D2D IP市场在2021~2026五年期年复合增长率高达50%，如下图2所示。
图 1 Chiplet市场
图 2 D2D IP市场趋势
Chiplet应用场景主要分两种，第一种是将同工艺大芯片分割成多个小芯片，然后通过接口IP互连在一起实现算力堆叠；第二种是将不同工艺、不同功能的芯片通过接口IP互连并封装在一起实现异构集成，如图3所示。算力堆叠主要应用于CPU、TPU和AI芯片等，对接口IP的要求是低延迟和低误码率，通常采用并行接口IP。异构集成，主要应用于CPU、FPGA和通信芯片等，对接口IP的要求是标准化、兼容性、可移植性和生态系统等，通常采用串行接口IP。
图 3典型应用场景
为了便于组装不同供应商开发的芯粒，需要标准化的芯粒间互连标准。行业联盟已共同定义出多种芯粒互连标准，如XSR、BoW、OpenHBI、UCIe等。它们的主要性能指标如图4所示。其中，XSR采用差分串行结构，目前最高速率达112Gbps，可用于异构集成连接IO die；后面三种采用单端并行结构，目前最高速率是UCIe的32Gbps, 同时它还定义了完整的协议层，继承了CXL和PCIe的生态优势，可用于算力堆叠中计算IP间的互连。
图 4 主流D2D的关键指标
完整的D2D解决方案包括：D2D接口IP设计、D2D封装设计和D2D测试,下面分别做详细介绍。
D2D接口IP设计解决方案
D2D接口IP由物理层(PHY)和控制器组成，如下图5所示。物理层PHY是封装介质的电气接口。从分层结构上分为模拟PHY和数字PHY，模拟PHY包括电气 AFE（发射器、接收器）以及边带信道，可实现两个晶粒之间的参数交换和协商。数字PHY包括链路初始化、训练和校准算法以及测试和修复功能。从接口类型上分并行接口和串行接口。
控制器包括链路层（Link layer）和逻辑物理层（Physical Layer Logical）。链路层负责上层协议接口适配，协议仲裁和协商，以及基于 CRC、可选的FEC（Forward Error Correction）和重传机制来确保链路可靠地传输数据；逻辑物理层负责链路训练和管理功能以及具体的PHY适配（比如加扰、解扰、块对齐、OS插入和提取等）。在链路初始化时，逻辑物理层会等待 PHY 完成链路初始化，通过链路状态机进入工作模式。链路层会通过协商确定使用哪个协议（如果实施了多个协议）。控制器向上支持CXS、AXI、FDI（Filt aware D2D interface）接口来支持PCIe、CXL、UCIe以及SOC和RAW协议层；向下兼容RDI(Raw D2D interface)和PIPE接口来适配不同的物理电气层[3][4][5]。
下面分别介绍一下并口和串口的D2D PHY架构。
图 5 D2D分层架构
并口D2D PHY架构
为了满足低延迟、高能效、低误码率要求，物理层接口采用单端并口传输，使用2.5D封装形式。并口D2D物理层结构如图6所示。
图 6 并口D2D PHY系统框架
并口物理层模拟部分包括4个LM（Lane module），每个LM数据位宽为单向16bit,共64bit。可以根据所需带宽灵活配置LM数目，每个LM还可以配置1~2个Slicer用于Filt Header或CRC校验。每Lane具备高精度和高解析度自校准延迟线，RX线性连续时间均衡器（CTLE）和DFE均衡器以实现高速性能，并根据走线长度可关闭DFE均衡器，以降低功耗。
并口物理层数字部分包括的功能块有RDI_TX/RX_MAP实现RDI接口到LM的映射；SPU（Sideband Process Unit）/TFSM（Train FSM）/LSM（Link SM）实现PHY启动、Lane修复/反转、TX/RX训练、VREF训练、眼图训练、自适应、链路状态管理、链路双方配置等功能。
芯耀辉实现的并口物理层采用DDR模式传输数据，数据率为16Gbps，符合UCIe和CCITA发布的《小芯片接口总线技术要求》标准；使用Forward clock模式简化接收端设计，可以减小延迟，降低功耗；延迟时间从本端FDI到对端FDI小于2ns；能效0.5~1pJ/bit。
串口D2D PHY架构
为了满足高带宽、较长距传输、较低封装成本的要求，物理层接口采用差分串口传输，使用2D substrate封装形式。串口D2D物理层结构如下图7所示。
图 7 串口D2D PHY架构
串口物理层模拟部分包括8通道Analog Lane,每通道由TX和RX组成，可实现双向8通道全双工差分信号传输，兼容NRZ和PAM4信令，数据率覆盖2.5~112Gbps[6]。为适应较差的信道，TX采用3 Taps FFE均衡器，RX采用线性均衡器。为了优化延迟，时钟架构可采用Forward clock架构。为了优化功耗，每个通道可独立开关，独立运行。
串口物理层数字部分包括PMA Digital Control和PHY处理单元（PPU）。主要实现PHY上下电时序控制；上电时TX/RX校准、自适应算法及顺序控制；正常运行时，实时自适应校准；内建测试逻辑控制等功能。
芯耀辉实现的串口物理层兼容CEI-112G-XSR协议，最高速率达112Gbps,可均衡通道损耗达-10dB,带宽线密度约1Tbps/mm,能效1.5pJ/bit,延迟时间小于6ns,误码率小于1e-15。
D2D封装方案
适合D2D的封装类型包括传统的2D有机基板（Substrate）、先进2.5D封装（RDL Fanout和Silicon Interposer）以及3D封装（Hybrid Bonding）。具体选用那种封装类型，需综合考虑IO数量、IO密度、数据率、成本、复杂度和接口类型等因素，如图8所示[7]。通常对于高速串行接口，数据率越高，IO数量越少，IO密度越低，复杂度和成本也越低，建议采用2D或者RDL Fanout 2.5D封装类型。对于高密度并行接口，数据率越低，IO数量越多，IO密度越高，复杂度和成本也越高，建议采用2.5D或者3D封装类型。
图 8 D2D封装类型选择
考虑到出Pin密度、电源Drop、信号完整性、减小基板层数，降低成本等因素。Bump map和互连走线采用如图9所示结构[2]。图中TX信号bump和RX信号bump分开单独放一起，可以方便对端Die的互连，减小走线间Cross talk；两个Die之间bump采用相隔近的与相隔近的互连，相隔远的与相隔远的互连，可以减少基板叠层，减小信号走线间交叠，从而减少成本，提高信号完整性。但这样会造成线与线间延迟时间的轻微差别，可以通过Die内Deskew功能去除。从信号完整性角度来看，还需要考虑Bump阻抗不连续，Via阻抗不连续，走线阻抗不连续和噪声耦合等问题。
图 9 Bump map方案
封装设计好后，需要抽取S参数，并利用IBIS-AMI模型验证信号质量。能建模IBIS-AMI并验证走线S参数的工具有很多，它们中大部分都提供了自动化IBIS-AMI建模流程，可以基于图形界面设计[8]。如图10和图11所示，用户可以使用软件内建的常用算法模型，来快速对TX的FFE去加重预加重均衡和模拟输出（AnalogOut）以及RX的模拟输入（AnalogIn）、CTLE连续时间线性均衡、 AGC自动增益放大、DFE自适应判决反馈均衡和CDR时钟恢复等进行建模，既可设置为NRZ模式也可设置为PAM4模式，而且内建的Channel模型可以很方便调用Touchstone格式的通道S参数。
图10中，Channel调用的通道S参数为-10dB@28GHz；TX设置为NRZ模式，数据率为56Gbps，摆幅为500mV，输入信号为PRBS31，FFE均衡不使能；RX 设置CTLE gain-boost从0dB到-10dB，AGC增益设置为1，DFE不使能，CDR使能。仿真得到的眼高175mV,眼宽15.76ps,COM为15.7dB。图11中，将设置改为PAM4模式，数据率为 112Gbps，输入信号为QPRBS13，其它不变的情况下。仿真得到的眼图的三个眼高基本一致为40mV,眼的线性度RLM为99.8%。
图 10 用IBIS-AMI模型进行NRZ信号通道分析
图 11 用IBIS-AMI模型进行PAM4信号通道分析
D2D测试方案
以串口D2D为例。为了全面测试和debug数据链路，D2D接口IP在设计时，需考虑全面的环回测试路径，如图12所示。数据通路测试路径包括，数字侧近端环回路径A：本端数字部分内环测试；模拟侧近端环回路径B：本端模拟部分内环测试；模拟侧远端环回路径C：对端模拟部分外环测试；数字侧远端环回路径D：对端数字部分外环测试。时钟通路测试路径包括，时钟近端环回路径E：本端发送时钟至接收时钟的环回测试；时钟远端环回路径F：对端接收时钟至发送时钟的环回测试。
图 12 环回测试模式
由于D2D高速引脚一般封装在Package内，不引出。这样对D2D IP的测试造成了一定的不方便。因此，测试方案和Package设计都需要特殊考虑。如图13所示[9][10]，测试需要2个Die（Octal Macro）实现TX到RX的环回测试。为了验证D2D IP能过不同的通道损耗，通道损耗设计为1dB~10dB@28GHz。为了真实测试出D2D IP的性能，需要对从PCB连接器处到封装基板的走线做去嵌处理。
图 13 D2D test setup and package view
采用以上测试方案，通道损耗为-10dB@28GHz时，芯耀辉设计的112G 串口D2D 样片TX输出的测试结果如图14所示。图中56G-NRZ测试采用PRBS31码型，眼高为363mV, Rj为345fs(rms)；56G-PAM4测试采用QPRBS13码型，三个眼高从上到下分别为224.6mV、235.6mV、229.0mV，RLM=97.7%；112G-PAM4测试采用QPRBS13码型，三个眼高从上到下分别为为99mV、109.2mV、97mV，RLM=95.3%。测试结果满足CEI-112G-XSR协议要求。
图 14 XSR D2D TX测试结果
结语
多晶粒Chiplet已成为芯片设计行业主流系统方案，D2D接口规范为设计人员带来了极具竞争力的性能优势，包括高能效 (pJ/b)、高带宽线密度 (Tbps/mm) 和低延迟 (ns)、支持主流 IO 协议以及任何用户定义的协议，并支持多种封装类型。本文从接口IP设计到封装设计再到测试方案，详细介绍了Chiplet D2D解决方案，参照此方案可轻松实现多晶粒系统互连。
2022年4月，芯耀辉作为首批会员加入了UCIe组织，推出支持UCIe协议且兼容多样化D2D和C2C场景的“并口D2D PHY IP“以及高能效比和高宽带利用率的”串口112G D2D SerDes PHY IP“的完整D2D解决方案，如图15所示。同年10月，芯耀辉承接了国家科技部重点研发专项，作为国家队成员着力推动国内Chiplet标准CCITA的产业化落地。公司专注于高速接口IP领域，积累了丰富的经验和技术能力，已经为客户提供了5G、数据中心、网络交换机等相关芯片IP产品，实现了市场客户的量产。随着产业进一步的发展，以及相关的下游封装等一些技术的成熟，Chiplet在国内的发展前景可期。
图 15 芯耀辉完整IP解决方案
作者简介
- 方刘禄，硕士，高级工程师，主要研究方向：高速接口电路
- 章新栾，硕士，高级工程师，主要研究方向：高速接口电路数字设计
- 冯博，博士，工程师，主要研究方向：高速接口电路模拟设计
- 三位作者目前都工作于芯耀辉科技有限公司。
参考文献
[1] https://www.transparencymarketresearch.com/chiplets-market.html
[2]https://semiwiki.com/semiconductor-services/ipnest/315113-interface-ip-in-2021-1-3b-22-growth-and-3b-in-2026
[3] Universal Chip-let Interconnect Express (UCIe) Specification Revision 1.0 February 24, 2022
[4] PCI Express Base Specification Revision 6.0 December 16, 2021
[5] Compute Express Link Specification Revision 3.0, Version 1.0 August 1, 2022
[6] Implementation Agreement: OIF-CEI-05.0, May 5, 2022
[7]Synopsys, DesignWare Die-to-Die 112G USR/XSR PHY & Die-to-Die Controller, September 2021
[8] https://ww2.mathworks.cn/discovery/ibis-ami.html
[9] A. Cevrero et al., "6.1 A 100Gb/s 1.1pJ/b PAM-4 RX with Dual-Mode 1-Tap PAM-4 / 3-Tap NRZ Speculative DFE in 14nm CMOS FinFET," 2019 IEEE International Solid- State Circuits Conference - (ISSCC), San Francisco, CA, USA, 2019, pp. 112-114
[10] R. Yousry et al., "11.1 A 1.7-pJ/b 112Gbps XSR Transceiver for Intra-package Communication in 7nm FinFET technology, " 2021 IEEE International Solid- State Circuits Conference - (ISSCC), San Francisco, CA, USA, 2021, pp. 180-181
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