chiplet技術(shù)解析 基于chiplet的SiP技術(shù)挑戰(zhàn)

人們都相信chiplet有希望打破阻礙摩爾定律的壁壘，并顛覆半導(dǎo)體供應(yīng)鏈。但它們依賴于復(fù)雜的封裝解決方案，且這些解決方案遠(yuǎn)未達(dá)到成熟。 ? 由于chiplet據(jù)稱能夠?qū)⒁粋€(gè)龐大、先進(jìn)的SoC解構(gòu)為相對(duì)低端制程的較小的die，從而暗示了一種繞過(guò)摩爾定律的道路。通過(guò)提供一種替代方案，chiplet也有望改變10nm以上芯片制造的兩方壟斷局面，從而帶來(lái)更多樣化、更穩(wěn)健的供應(yīng)鏈。 ? Chiplet聽(tīng)起來(lái)似乎簡(jiǎn)單，但其背的SiP（system-in-package）技術(shù)卻是一項(xiàng)非同小可的技術(shù)。在基于chiplet的SiP推廣之前，必須克服幾類技術(shù)挑戰(zhàn)。目前的跡象是樂(lè)觀的，但chiplet得到普及還有一段路要走。 ?

KGD問(wèn)題??

首先是KGD（known good die）問(wèn)題，這是一個(gè)乘法問(wèn)題。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，SiP能夠正常工作的概率小于SiP中每個(gè)單獨(dú)die的良率的乘積（假設(shè)這些單個(gè)概率在統(tǒng)計(jì)上是獨(dú)立的）。 ? 如果你有一個(gè)由兩個(gè)die組成的SiP（比如，一個(gè)CPU和一個(gè)大cache），假如CPU die的良率是90%，cache的良率是98%，那么你就可以推算出SiP的良率，即兩者的乘積，大約88%。 ? 于是，這個(gè)問(wèn)題很快就會(huì)變得比較復(fù)雜。例如，Intel最近宣布，其Ponte Vecchio GPU SiP包含驚人的47種不同類型的die。如果進(jìn)入SiP的每個(gè)die中有1%是有問(wèn)題的，即使在裝配、封裝和測(cè)試中沒(méi)有任何損失，Intel也只能在裝配和封裝后獲得低于63%的良率。如果這個(gè)進(jìn)料異常率提高到10%，那么大約每150個(gè)GPU SiP中只有一個(gè)是可以正常工作的。 ?

那么，該怎么做呢？顯然，第一步是盡一切可能降低進(jìn)料異常率。這包括在每個(gè)入廠die的測(cè)試階段增強(qiáng)測(cè)試覆蓋。Chiplet供應(yīng)商（尤其是所有的die不是來(lái)自同一供應(yīng)商的情況下）必須不僅測(cè)試短路或開(kāi)路，還要測(cè)試時(shí)序故障、內(nèi)存性能，以及可能暗示早期老化故障的參數(shù)，包括他們能識(shí)別出可能導(dǎo)致SiP提前失效的任何問(wèn)題。在晶圓經(jīng)過(guò)測(cè)試并分解成單獨(dú)的die之后，可能需要再次通過(guò)光學(xué)檢查和電氣測(cè)試，以排除在分離過(guò)程中受損的die。

? 即使進(jìn)行了廣泛的測(cè)試覆蓋，仍然會(huì)存在問(wèn)題。測(cè)試向量不可避免地會(huì)遺漏一些故障。有些故障會(huì)是間歇性的，或者只會(huì)隨時(shí)間的推移出現(xiàn)。在某些設(shè)計(jì)中，要達(dá)到在SiP級(jí)別上可接受的良率可能需要冗余和自我修復(fù)技術(shù)，而這些技術(shù)目前在某些特定的關(guān)鍵任務(wù)芯片之外還處于非常早期的開(kāi)發(fā)階段?；蛘?，可能需要一種實(shí)際的方法來(lái)修復(fù)SiP，而不是丟棄它，這在可靠性實(shí)驗(yàn)室之外是不可能的。在一定程度上，修復(fù)取決于SiP的組合方式。

? 結(jié)構(gòu)幾乎決定一切??

在SiP中將die組合在一起有很多種方式。Die之間傳輸信號(hào)的方式也有很多種。這兩個(gè)問(wèn)題是分開(kāi)的，但卻相互交織。 ? 最簡(jiǎn)單的die的排列方式是將它們像地磚一樣平放在基板上。

Die可以是正面朝上，也可以是正面朝下?；蹇梢允怯糜趩蝹€(gè)die封裝的同一材料，或者是更先進(jìn)的有機(jī)材料，支持更細(xì)的互連線路和更精細(xì)控制的阻抗?；蛘?，它可以是硅。在不久的將來(lái)，包括Intel在內(nèi)的一些公司可能會(huì)開(kāi)始使用玻璃。 ? 如果你需要減小SiP的面積，或者如果你需要讓一些die物理上接觸到彼此，以便在它們之間獲取更多或更快的連接，你可以將die堆疊起來(lái)。這可能意味著簡(jiǎn)單地將一個(gè)die放在其他die的上面，使邊緣重疊，或者在一個(gè)更大的die上放一個(gè)更小的die?；蛘?，它可能意味著建造精細(xì)的die塔，比如在內(nèi)存控制器die上堆疊一堆高帶寬內(nèi)存die，形成一個(gè)非常快速的DRAM塔。這些技術(shù)的組合也是可能的。 ?

互聯(lián)問(wèn)題??

互連是另一個(gè)問(wèn)題。如何將信號(hào)和電源從一個(gè)地方傳輸?shù)搅硪粋€(gè)地方取決于很多因素：涉及信號(hào)數(shù)量、帶寬或比特率、你能容忍的延遲，以及你的預(yù)算。

除了最后一點(diǎn)，所有這些都受到一個(gè)因素的強(qiáng)烈影響：系統(tǒng)架構(gòu)如何巧妙地分割為chiplet。如果它們之間只有少數(shù)低速總線和控制信號(hào)，那么互連就很容易。相反，如果在SiP中分布的chiplet之間有數(shù)千個(gè)信號(hào)，而它們的速度限制了最終系統(tǒng)的性能，那么只有最先進(jìn)的封裝才能有效地工作。

一旦你量化了互連需求，就有很多可選方案。首先是傳統(tǒng)的線鍵合，在die和基板上的鍵合墊之間串接超細(xì)線。線鍵合可追溯到晶體管時(shí)代的初期，是已經(jīng)非常成熟并且普及的技術(shù)。線鍵合可以將die相互連接起來(lái)，也可以將die連接到基板上的鍵合墊上。但目前線鍵合能提供的密度（每平方毫米的墊數(shù)）和頻率最低。由于這些原因，焊線技術(shù)通常與傳統(tǒng)封裝基板材料一起使用。

如果你需要更高的互連密度或速度，你必須將一個(gè)表面上的接觸點(diǎn)直接連接到另一個(gè)表面上的接觸點(diǎn)。在中等密度的情況下，通常通過(guò)在兩個(gè)墊之間放一個(gè)焊球來(lái)完成。在更高密度時(shí)，你需要制造一些更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，比如一組銅柱，來(lái)連接兩個(gè)表面上的墊。（在光學(xué)顯微照片中，這些銅柱陣列看起來(lái)就像一個(gè)農(nóng)場(chǎng)或城市的天際線。）

這些技術(shù)要求兩個(gè)表面面對(duì)面，完全平整，并且墊要完全對(duì)齊。這需要兩個(gè)die，或者die和基板，為彼此設(shè)計(jì)或設(shè)計(jì)為一個(gè)公共的接口標(biāo)準(zhǔn)。但是在某些情況下，所有的die都不能面對(duì)面安裝：例如，3個(gè)die的堆棧。因此，你將不得不以某種方式將一些信號(hào)從die的活動(dòng)面移動(dòng)到背面的接觸墊。要做到這一點(diǎn)，你可以在分離后的die上制作穿過(guò)die邊緣、向下并繞到背面的導(dǎo)線?；蛘?，現(xiàn)在更常用的方法是在減薄的晶片上鉆通硅孔。無(wú)論如何，晶圓都需要進(jìn)行特殊的處理，以創(chuàng)建連接并在背面制造痕跡和著陸點(diǎn)，這是chiplet供應(yīng)商必須要理解的事實(shí)。

這些技術(shù)通常會(huì)配合使用高性能有機(jī)基板，上面帶有非常精細(xì)的互連線，也可能帶有一些活動(dòng)部件。在最嚴(yán)苛的設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)師可能會(huì)選擇硅而非有機(jī)材料，并使用IC晶圓制造工藝的最后步驟來(lái)在硅上創(chuàng)建超精細(xì)的互連線。這樣的硅基板通常被稱為interposer。Intel使用的一個(gè)有趣的變體，稱為EMIB（embedded multidie interconnect bridge），將小塊的硅植入到有機(jī)基板中。Die是朝下安裝的，以便它們的接觸點(diǎn)落在EMIB橋上，這些橋在相鄰的die之間傳送信號(hào)。

隨著這些技術(shù)變得更加精細(xì)，成本也會(huì)翻倍，因此這項(xiàng)技術(shù)更有可能專屬于一個(gè)大型代工廠。但最近，另一種替代方案出現(xiàn)在許多信號(hào)需要連接的情況下，其中一些可能具有非常高的數(shù)據(jù)速率，但沒(méi)有哪個(gè)特別敏感于延遲。這種技術(shù)，由初創(chuàng)公司Eliyan推廣，借用了來(lái)自網(wǎng)絡(luò)和FPGA行業(yè)的高速串行接口技術(shù)。但Eliyan將接口硬件簡(jiǎn)化，以符合芯片互連的特定要求，獲取的接口小，功耗低，但能夠在甚至是傳統(tǒng)基板上以每秒數(shù)十Gb的速度傳輸數(shù)據(jù)包。你可以將信號(hào)分解成數(shù)據(jù)包，將數(shù)據(jù)包多路復(fù)用，然后將所有數(shù)據(jù)通過(guò)單線以串行方式傳輸。Eliyan聲稱，該技術(shù)可以大大減少die之間的信號(hào)線的數(shù)量。更重要的是，由于收發(fā)器可以根據(jù)普通鏈路的特性進(jìn)行調(diào)整，因此該技術(shù)可以緩解或消除對(duì)先進(jìn)封裝材料和技術(shù)的需求。

大量的分析需求??

一旦你決定了SiP的形式，chiplet組裝需要在許多領(lǐng)域進(jìn)行大量分析，其中只有一部分是電氣方面的。例如，你需要考慮熱行為。封裝中的每一個(gè)die都是一個(gè)熱源，有自己的熱點(diǎn)和冷點(diǎn)，其位置和溫度會(huì)隨著系統(tǒng)操作模式和工作負(fù)載的不同而改變。將die組裝到先進(jìn)的封裝中會(huì)使它們相互加熱，并在die間積聚熱量，從而在三維空間中產(chǎn)生局部的、可能是移動(dòng)的熱點(diǎn)。這些問(wèn)題區(qū)域可能導(dǎo)致電路故障或SiP的物理?yè)p壞。因此，基于電路功率建模的動(dòng)態(tài)3D熱分析是必要的。

承載SiP的電路板的熱膨脹和彎曲會(huì)導(dǎo)致SiP組件本身產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力。這種應(yīng)力可能會(huì)破壞微妙的互連或使die脫層。更嚴(yán)重的是，die上的應(yīng)力會(huì)改變其晶體管的電氣行為，從而導(dǎo)致電路故障。因此，除了熱分析外，還需要對(duì)SiP進(jìn)行機(jī)械分析，考慮熱膨脹、外部應(yīng)力和振動(dòng)。

由于die間的互連比die內(nèi)部的互連長(zhǎng)得多，且物理性質(zhì)也大不相同，因此需要對(duì)其進(jìn)行專門的建模，通常包括完全的電磁場(chǎng)建模。這是為了獲取穿越die間路徑的精確計(jì)時(shí)，以及進(jìn)行信號(hào)和功率完整性分析。

另一點(diǎn)涉及到對(duì)組裝和封裝的SiP進(jìn)行最終測(cè)試。由于芯片內(nèi)罕見(jiàn)的未檢測(cè)到的故障、機(jī)械損傷或互連故障，故障總會(huì)發(fā)生的。但是，大部分的SiP信號(hào)在設(shè)備封裝后無(wú)法接觸到測(cè)試器。因此，測(cè)試設(shè)計(jì)師必須達(dá)到出色的測(cè)試覆蓋率（并在此基礎(chǔ)上提供故障的根本原因分析），同時(shí)必須嚴(yán)重依賴chiplet本身的內(nèi)建的自我測(cè)試。

這只是基于chiplet的SiP可能面臨的問(wèn)題的一些要點(diǎn)。雖然技術(shù)基本上已經(jīng)到位，盡管更先進(jìn)的技術(shù)如今是各個(gè)主要代工廠的專利。許多分析工具已經(jīng)存在，并正在凝聚成更易于操作的平臺(tái)。但是，從架構(gòu)劃分的基礎(chǔ)知識(shí)到die設(shè)計(jì)，再到封裝設(shè)計(jì)和分析，到供應(yīng)鏈管理的每個(gè)方面的學(xué)習(xí)曲線都很艱難，并且每個(gè)領(lǐng)域經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師都很稀缺。今天，將chiplet從一個(gè)偉大的想法落地為一種可行的技術(shù)，再轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N主流選擇，仍然是一個(gè)進(jìn)行中的工作。

編輯：黃飛

?