先進(jìn)封裝技術(shù)是Chiplet的關(guān)鍵？

　　先進(jìn)的半導(dǎo)體封裝既不是常規(guī)操作，目前成本也是相當(dāng)高的。但如果可以實(shí)現(xiàn)規(guī)模化，那么該行業(yè)可能會(huì)觸發(fā)一場(chǎng)chiplet革命，使IP供應(yīng)商可以銷(xiāo)售芯片，顛覆半導(dǎo)體供應(yīng)鏈。

　　一個(gè)芯片封裝中由多個(gè)die組成（每個(gè)die其實(shí)是獨(dú)立功能的芯片）。我們來(lái)探討一下三個(gè)主題不同但彼此相關(guān)的問(wèn)題：一個(gè)封裝中的多個(gè)die、先進(jìn)封裝、chiplet。

　　首先，是多個(gè)die。芯片設(shè)計(jì)公司希望在一個(gè)封裝中有幾個(gè)離散的die的原因可能很多。最簡(jiǎn)單的一個(gè)原因是，它提供了一種節(jié)省空間或提高系統(tǒng)性能的方法。例如，如果你有一個(gè)包含來(lái)自不同供應(yīng)商的CPU die和I/O die的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，你可以以單獨(dú)的封裝采購(gòu)，并將它們集成在電路板上。但如果空間緊張，你可以通過(guò)購(gòu)買(mǎi)裸芯片并將兩個(gè)芯片并排安裝在指甲大小的基板上，該基板充當(dāng)迷你電路板，然后整個(gè)放入一個(gè)封裝中，從而節(jié)省出一些空間。這不需要任何深?yuàn)W的技術(shù)，普通的引線鍵合或倒裝焊接（flip-chip）就可以連接起來(lái)。

　　兩個(gè)die之間的連接將是基板材料上非常小的、非常短的連線。由于它們的尺寸并嚴(yán)格可控，它們應(yīng)該能為你提供更高的速度，比電路板上兩個(gè)封裝之間的連接功耗更低。所以，這在速度和能效上也有優(yōu)勢(shì)。這就是最近關(guān)于先進(jìn)封裝和chiplet熱議的源頭。

　　多個(gè)die

　　以上大致論述了將多個(gè)die放在一個(gè)封裝中的理由。但你可能會(huì)問(wèn)，為什么不設(shè)計(jì)一個(gè)SoC，將所有東西都放在一個(gè)die上呢？這可能有幾個(gè)原因。首先，相關(guān)IP可能無(wú)法用于ASIC設(shè)計(jì)?；蛘哳A(yù)期的體量可能過(guò)低以至于無(wú)法證明ASIC的價(jià)值。這些都是常見(jiàn)的情況。但在集成電路市場(chǎng)的前沿，情況變得更加有趣。

　　一些芯片開(kāi)發(fā)商（尤其是在像高性能CPU和GPU這樣的領(lǐng)域）面臨的一個(gè)問(wèn)題是，他們的抱負(fù)超過(guò)了他們的代工廠可以制造的最大die?；旧?，die的大小受到光刻系統(tǒng)中光罩大小的限制。如果用放大器類(lèi)比，你不能在一個(gè)die上打印出比負(fù)片上更多的東西。而這個(gè)面積對(duì)于設(shè)計(jì)師在高性能CPU或GPU上所需的邏輯和內(nèi)存來(lái)說(shuō)簡(jiǎn)直不夠。將設(shè)計(jì)分成單獨(dú)封裝是可能的，但最要命的是性能損失。

　　另一個(gè)問(wèn)題也與工藝相關(guān)。先進(jìn)的邏輯工藝是針對(duì)邏輯優(yōu)化的。你可以在同一個(gè)die上制造其他類(lèi)型的電路，比如SRAM或模擬電路，但這些類(lèi)型的電路相對(duì)于邏輯會(huì)占用更多空間，把它們放在邏輯die上在面積和費(fèi)用上都非常不經(jīng)濟(jì)。因此，在一個(gè)先進(jìn)的CPU設(shè)計(jì)中，比如你可能會(huì)看到寄存器文件和一級(jí)緩存與CPU在同一個(gè)die上，速度要一樣快。但更大、更慢的二級(jí)（及以上）緩存將會(huì)在單獨(dú)的die上。它們也將在一個(gè)針對(duì)SRAM優(yōu)化的工藝中構(gòu)建，而不是邏輯。包括模擬電路的接口可能會(huì)在另一片die上，采用的是更成熟、價(jià)格更低的工藝。

　　這里面性能是關(guān)鍵的因素。無(wú)論如何封裝，當(dāng)兩個(gè)模塊放在不同的die上時(shí)，它們之間的通信將不可避免地比在同一個(gè)die上時(shí)要慢得多。因此，至關(guān)重要的是，設(shè)計(jì)方式不能要求太多的信號(hào)在芯片之間傳遞，也不能將系統(tǒng)性能綁定在這些芯片間鏈路的性能上。

　　以CPU為例，L1緩存保持在CPU芯片上，速度非?？?。但是大而慢的L3緩存不能因?yàn)樵谝粋€(gè)單獨(dú)的die上而有太多的速度影響。而I/O控制器可能還好，重要功能能否自由地移出芯片，取決于它們的連接性需求，以及die間連接的速度和密度。

　　先進(jìn)封裝于是，先進(jìn)封裝便登場(chǎng)了。粗略估計(jì)，先進(jìn)封裝開(kāi)始于需要大量投資來(lái)最大化die間的連接數(shù)量和帶寬的點(diǎn)。這通常意味著企業(yè)已經(jīng)從普通的封裝基板轉(zhuǎn)移到高度工程化的有機(jī)材料，甚至是硅基板（通常被稱為墊片）。這意味著正在使用精細(xì)的光刻技術(shù)來(lái)創(chuàng)建連接線和與芯片連接的凸點(diǎn)，達(dá)到幾乎與集成電路相同的線間距和精度。如果正在使用硅基板，實(shí)際上可能在本質(zhì)上是集成電路工藝的后端生產(chǎn)，以獲得最細(xì)的線和最好的控制。

　　這可能不僅僅停留在基板工程上。先進(jìn)封裝不僅包括將一個(gè)或多個(gè)die放在同一基板上，還包括die堆疊，或者制造垂直的die堆棧（后者DRAM行業(yè)經(jīng)常這么干）。這些技術(shù)可以結(jié)合使用。例如，在最近的一個(gè)GPU產(chǎn)品中，Intel從有機(jī)基板開(kāi)始，然后將硅橋梁嵌入基板，每個(gè)橋梁都帶著大量的連接線。接下來(lái)，他們將die正面朝下地安裝在這些橋梁上，一排排地放在基板上，這樣橋梁就將die連接在一起。最后，他們將一些die，如高性能邏輯die，垂直堆疊。結(jié)果就是一個(gè)基板，其上既有die也有die的堆棧。

　　Chiplet

　　所有這些靈活性使得一些專(zhuān)家提出了一個(gè)邏輯延伸。如果在一個(gè)基板上組合多個(gè)不同的die非常容易，那為什么不能有一個(gè)類(lèi)似于今天的集成電路或半導(dǎo)體IP市場(chǎng)的裸芯片市場(chǎng)呢？每個(gè)die可以承載一個(gè)適度大小的，定義明確的功能，即一個(gè)獨(dú)立的IP。行業(yè)可以定義規(guī)定die之間接口的標(biāo)準(zhǔn)，以保證互操作性。并且，通過(guò)簡(jiǎn)單地拾取和放置這些所謂的chiplet，就可以很容易地構(gòu)建出一個(gè)SiP（system-in-package）。

　　原則上，這個(gè)想法很好。如果這是一種常見(jiàn)的做法，并因此形成了一個(gè)豐富的、低成本的供應(yīng)鏈，那么幾乎任何人都可以通過(guò)簡(jiǎn)單地組合chiplet，并將設(shè)計(jì)送到組裝和測(cè)試廠，來(lái)構(gòu)建出一個(gè)幾乎與SoC等價(jià)的產(chǎn)品。

　　在更高的層面上，像AMD、ARM和Intel這樣的先進(jìn)CPU架構(gòu)（當(dāng)然還有開(kāi)源處理器）可以被簡(jiǎn)化為一系列小的功能模塊：指令獲取單元、多個(gè)不同的ALU、寄存器文件、加載/存儲(chǔ)單元等等。這些處理器架構(gòu)的組件自身可以成為chiplet，所以你可以決定一個(gè)指令集，然后混合并匹配chiplet，創(chuàng)造出所需的最優(yōu)的微架構(gòu)。

　　這需要在chiplet之間非常謹(jǐn)慎的劃分，以便它們之間的互連不會(huì)太多地限制性能。并且自然，它需要從互連技術(shù)中獲得最佳的性能。但是這些都是可以實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。有些人也在說(shuō)，這比繼續(xù)在工藝上擠牙膏要容易得多。

　　顛覆

　　Chiplet如果得以發(fā)展，將顯著改變IC行業(yè)的結(jié)構(gòu)。首先，SoC的大小和復(fù)雜性將不再那么受預(yù)算或預(yù)期市場(chǎng)規(guī)模的限制。先進(jìn)芯片中的組件塊市場(chǎng)將對(duì)chiplet的小型IP開(kāi)發(fā)者開(kāi)放，而不僅僅被那些巨頭壟斷。

　　另一個(gè)重大變化將是在供應(yīng)鏈上，也就是說(shuō)，會(huì)分散化?？蛻艨赡芟Ｍ粋€(gè)代工廠制造他們自己設(shè)計(jì)的專(zhuān)有芯片，然后從另一代工廠采購(gòu)其他部分設(shè)計(jì)的chiplet。Chiplet可能會(huì)顛覆整個(gè)SiP來(lái)自單一供應(yīng)商或單一源頭的觀念，并且也可以構(gòu)建相對(duì)更加富有彈性的供應(yīng)鏈。

　　當(dāng)然，要實(shí)現(xiàn)這個(gè)愿景，還有許多技術(shù)問(wèn)題需要解決。今天，雄心勃勃的先進(jìn)封裝設(shè)計(jì)仍然是芯片巨頭的領(lǐng)域，chiplet仍然需要標(biāo)準(zhǔn)來(lái)規(guī)定die間的接口。行業(yè)在未來(lái)會(huì)進(jìn)一步研究相關(guān)的挑戰(zhàn)和可能的解決方案，進(jìn)而我們也會(huì)漸漸看到這些技術(shù)將會(huì)朝著什么方向發(fā)展。

審核編輯：劉清