先进封装和Chiplet：开启全民半导体设计新时代

芯粒(Chiplet)革命即将到来。多裸片科学项目从实验室起步，如今已逐渐成熟。像AMD、英特尔或NVIDIA这样的巨头公司可以利用先进的封装技术，在台积电或英特尔内部生产出巨大、昂贵的CPU或GPU多裸片组件，从而实现出色的密度、能效和性能。

然而，Chiplet的真正潜力在于使复杂硅片系统的设计大众化，让系统开发商和小型无晶圆厂半导体公司也能参与其中。

如今，这一愿景既有可喜的迹象，也有明显的障碍。普通的设计团队今天已经有可能实现基于Chiplet的设计。然而，这需要充分了解所涉及的变量，以及如何在交付最终设计时管理这些变量。如今，这很可能需要借助具有这方面专业知识的外部合作伙伴。

这一进展虽姗姗来迟，但至关重要。随着封装技术成为决定系统性能的关键因素，将多个由不同公司设计和制造的半导体裸片集成在同一封装内，已成为不可或缺的趋势。

相信下一代行业领导者将是那些能够利用先进封装等概念设计和集成复杂的系统级芯片解决方案的公司。单纯制造单个器件将逐渐失去市场吸引力，取而代之的是汇集设计、封装和系统集成方面的最佳技术以满足市场需求的协作努力。我们已经看到了朝这一方向的动向。

(来源：智原科技)

我们达到目标了吗？

近几个月来，实现这一大众化的积极步伐已经显现。如今，可以在独立的代工厂制造硅中介层，而不必受制于三大代工厂巨头之一的封闭式裸片、中介层和组装服务。主要的EDA供应商为多裸片、先进封装系统的架构探索、设计和分析提供工具。这些工具目前仍然是离散且专业的，给传统芯片设计团队带来了巨大的学习障碍。然而，EDA供应商正在努力实现集成度更高的类似SoC的流程。

此外，随着线束(BoW)或UCIe等先进封装互连标准的成熟，一个真正的Chiplet市场正在萌芽。这些都是令人鼓舞的发展迹象。

如今，一个资金充足的设计团队，如果拥有合适的行业联系，能够建立有效的供应链，就可以进行基于Chiplet的设计，而不必在三大代工厂中排队，也不必接受他们的捆绑、时间表和定价。然而，决定走这条路的设计团队所面临的挑战依然严峻。

(来源：智原科技)

在系统架构、裸片和中介层层面都有新的设计任务，而这些任务中做出的选择往往会相互影响。此外，管理供应链的挑战——涉及多个Chiplet供应商(其中许多供应商本身就是与中介层工厂合作的小型或初创公司)，以及管理具有先进封装能力的外包半导体组装/测试(OSAT)供应商——可能会一发不可收拾。因此，系统设计人员必须管理这一新的、更加错综复杂的供应链，促进所有相关方之间的密切合作和协调。

与分区相关的新设计任务

多裸片系统的架构规划始于系统的目的、功能描述和性能要求。然而，这项任务很快就会与SoC规划产生分歧，因为在早期，系统必须在不同裸片之间进行分区。

分区有许多参数。在一个层面上，架构师希望确保高带宽、低延迟数据流尽可能少地穿越的裸片边缘，并覆盖尽可能小的距离。在另一个层面上，设计人员必须将系统划分为可用的Chiplet，而且最好能在后续设计中重复使用。任何无法以Chiplet形式购买的功能最终都会在ASIC中实现。所有这些决定都必须考虑到性能、功耗和组装/测试成本。

分区之后，就要讨论裸片的采购问题。第三方供应商应该可以提供现成的Chiplet。然而，正如设计团队早已从重复使用硅片IP中了解到的那样，合适的Chiplet可能并不存在。在功能、接口兼容性甚至I/O焊盘位置等方面都可能存在差异，这可能会导致下游中介层上的集成失败。有时，一开始是寻找合适的Chiplet，最后却要进行定制Chiplet开发或重新分区。还有一些实际问题。要找到合适的Chiplet，并以合适的时间、数量和价格提供，是一件令人头疼的事情。

高带宽内存(HBM)在这方面的问题尤为突出。全球需求紧张，而且预计将持续如此。如果客户与HBM制造商之间没有牢固的现有关系，或者无法提供有力的销量预测，就可能面临供应不确定、价格不稳定或干脆不回电子邮件的情况。不幸的是，这种情况也可能发生在中介层供应商身上。三大供应商的供货周期可能很长，价格也会令人吃惊。

进一步分析

Chiplet和多裸片先进封装为设计后端带来了新的分析任务。整个组件必须接受电磁场建模，以评估互连线之间的阻抗和耦合。必须使用准确的动态功率估算对组件进行热分析和机械分析，以检查局部、瞬时过热或热膨胀引起的机械应力。

如果应用是在汽车或其他苛刻的环境中，这些分析将尤为严格。所有这些步骤都涉及到大多数芯片设计团队不熟悉的多物理分析程序等工具。

合作伙伴是关键

Chiplet的前景是否仅限于少数设计团队？尽管大部分可用能力集中在英特尔、三星和台积电等主要代工厂，但其他团队若能与那些与这些主要代工厂保持紧密合作关系的伙伴进行协作，则可以为客户提供Chiplet解决方案。此外，如果合作伙伴在多裸片模块分析、IP、Chiplet设计、中介层设计和制造方面具有专长，并与代工厂和OSAT供应商建立了牢固的关系，那么在交付基于Chiplet的设计过程中就会如虎添翼。

专业设计服务提供商已组建了专家团队，这些团队在开发基于Chiplet的系统级解决方案中起着关键作用。他们不仅拥有SoC设计方面的专业知识，还能够处理多裸片项目的所有阶段——从架构探索到大规模交付的供应链管理。此外，这些团队还配备了一整套内部工具，专门用于支持这些复杂的任务。

设计服务团队在构建项目中扮演着中立角色，他们与主要供应商(Chiplet、HBM、ASIC、IP、中介层和OSAT)保持着良好的关系，以确保获得产品和供应链的顺利运行。

如今，系统开发商或小型无晶圆厂公司的设计团队可以通过采用先进封装的基于Chiplet的设计取得成功。这只需要良好的专业知识和合作伙伴关系。

（原文刊登于EE Times美国版，参考链接：Advanced Packaging and Chiplets Can Be for Everyone，由Franklin Zhao编译。）

本文为《电子工程专辑》2025年1月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里。