Multi-Die系統(tǒng)，掀起新一輪技術(shù)革命！

大約兩、三年前，多芯片(Multi-Die)系統(tǒng)在行業(yè)中還較為罕見，當(dāng)時僅有少數(shù)公司探索基于2.5D中介層的設(shè)計。然而，隨著高性能計算的興起，越來越多的公司開始競相轉(zhuǎn)向2.5D，以及3D。Multi-Die系統(tǒng)快速發(fā)展。所以如果現(xiàn)在你還不了解Multi-Die系統(tǒng)的原理、本質(zhì)和作用，那么你可能會顯得有點落后了。

無論是探索Multi-Die系統(tǒng)，還是在設(shè)計中實施架構(gòu)，開發(fā)者都需要了解整個半導(dǎo)體供應(yīng)鏈生態(tài)系統(tǒng)的來龍去脈，才能夠更從容的在架構(gòu)中創(chuàng)造出更好的設(shè)計。在新思科技最近組織的一次行業(yè)座談會中，來自Ansys、博世、英特爾、三星以及新思科技內(nèi)部的專家，共同探討了Multi-Die系統(tǒng)迅速普及的原因，未來將面臨的挑戰(zhàn)，以及各個大廠是如何挖掘Multi-Die系統(tǒng)潛力等多個精彩話題。

01.Multi-Die系統(tǒng)：起于但卻不止于高性能計算

誠然，高性能計算是Multi-Die系統(tǒng)興起的重要推動力，所有這些新的AI應(yīng)用、大型語言模型（LLM），如ChatGPT，他們要處理的工作量是巨大的，迫切需要更高效的計算方式。應(yīng)用程序中的性能需求每兩年增長800倍，這顯然是摩爾定律所無法實現(xiàn)的。

而Multi-Die技術(shù)在解決核心擴展問題和當(dāng)前2D單芯片的限制方面具有顯著優(yōu)勢，新思科技負(fù)責(zé)Multi-Die系統(tǒng)解決方案資深產(chǎn)品總監(jiān)Shekhar Kapoor認(rèn)為，從技術(shù)和成本角度來看，Multi-Die系統(tǒng)正在解決當(dāng)下行業(yè)內(nèi)的四大挑戰(zhàn)：“

1）技術(shù)擴增的難題，摩爾定律的回報遞減；

2）掩膜版的大小無法持續(xù)增加；

3）新制程節(jié)點的成本不斷攀升，良率也隨著芯片的增大變得越來越低；

4）SoC中數(shù)據(jù)的傳入、傳出需求巨大，如何讓數(shù)據(jù)和存儲靠的更近？”

利用Multi-Die系統(tǒng)能實現(xiàn)異構(gòu)集成，并且利用較小Chiplet實現(xiàn)更高良率，更小的外形尺寸和緊湊的封裝，降低系統(tǒng)的功耗和成本。Ansys半導(dǎo)體產(chǎn)品研發(fā)主管Murat Becer指出：“3DIC正在經(jīng)歷爆炸性增長，我們預(yù)計今年3DIC設(shè)計的數(shù)量將是去年的3倍左右?！?/p>

正是由于Multi-Die系統(tǒng)的這些優(yōu)勢，業(yè)界開始思考如何將其應(yīng)用在更多領(lǐng)域。而在眾多應(yīng)用中，快速發(fā)展的汽車市場，以及處理器逐漸走到物理極限的移動設(shè)備，則是Multi-Die系統(tǒng)的兩個潛在的應(yīng)用市場。

正如我們所看到的，汽車行業(yè)正在從L1、L2向著L3、L4的自動駕駛等級邁進，要滿足這些日益增長的自動駕駛需求，你不能將一排排的計算機直接放進汽車中，而是需要切實考慮它的外形尺寸，以便提供合適的處理能力和能效，這就推動了對Multi-Die技術(shù)的采納?！半S著未來汽車轉(zhuǎn)向軟件定義汽車，汽車中代碼量不斷激增，當(dāng)今的汽車中可能有100~1億行代碼，到2030年底，代碼行數(shù)可能會增長到現(xiàn)在的3-5倍，達(dá)到接近8億行。但汽車行業(yè)具有一定規(guī)模，我們不可能為每輛車設(shè)計專用芯片。因此，我們非常希望能夠?qū)⑦@些Chiplet技術(shù)應(yīng)用到汽車中，把其他行業(yè)最新最好的技術(shù)在整個汽車產(chǎn)品組合上實現(xiàn)可擴展性。”博世半導(dǎo)體部門Michael Schafferi強調(diào)。

“雖然移動設(shè)備市場還在觀望，但他們在面對外形尺寸和掩膜版的挑戰(zhàn)時也是沒有選擇的?！毙滤伎萍嫉腟hekhar Kapoor表示，他們研究了100多個涵蓋各種封裝類型和各種應(yīng)用的Multi-Die項目，發(fā)現(xiàn)包括政府在內(nèi)的數(shù)十億美元的資金已經(jīng)投入到了這一領(lǐng)域，未來Multi-Die系統(tǒng)的采用速度將大幅加快。三星負(fù)責(zé)先進封裝業(yè)務(wù)開發(fā)副總裁Cheolmin Park表示：“我們不難發(fā)現(xiàn)，出于成本考慮，移動市場希望將不同的功能分解為高級節(jié)點和更經(jīng)濟的節(jié)點，因此也開始嘗試實施Multi-Die系統(tǒng)?！?/p>

總而言之，人們已經(jīng)開始發(fā)揮創(chuàng)造力，嘗試?yán)孟冗M封裝能力和Multi-Die系統(tǒng)來實現(xiàn)他們的需求，更多市場的普及和應(yīng)用只是早晚的問題。

因此，隨著多個行業(yè)對速度更快、功耗更低、帶寬更高的半導(dǎo)體的巨大需求，未來我們可能會在AI、機器學(xué)習(xí)、CPU、GPU和移動應(yīng)用中看到Multi-Die系統(tǒng)的部署。Multi-Die系統(tǒng)將是各領(lǐng)域的廠商，從成本甚至是產(chǎn)品的角度通過創(chuàng)造差異化而獲益的大好機會。

02.Multi-Die系統(tǒng)自身發(fā)展面臨哪些挑戰(zhàn)？

雖然Multi-Die技術(shù)解決了當(dāng)下的一些行業(yè)痛點，但其自身發(fā)展也面臨著新的挑戰(zhàn)。假如放眼全球，我們可能會看到通常Chiplet設(shè)計整合僅僅在個別的公司所實現(xiàn)。就目前而言，Multi-Die系統(tǒng)并不適用于所有項目，一方面因為其成本和復(fù)雜性方面的因素，另一方面是Multi-Die系統(tǒng)還處于發(fā)展階段，在知識和經(jīng)驗上的缺口還需行業(yè)共同努力填補。

英特爾架構(gòu)、設(shè)計和技術(shù)解決方案副總裁Lalithe Immaneni也強調(diào)，在EDA領(lǐng)域，Multi-Die系統(tǒng)面臨三大挑戰(zhàn)：“

1）對于Multi-Die系統(tǒng)而言，EDA不僅僅是執(zhí)行和構(gòu)建這些3DIC結(jié)構(gòu)，更多的在于協(xié)同設(shè)計和架構(gòu)。

2）配套的IP如何開發(fā)？UCIe是一個良好的開端，遵循JEDEC標(biāo)準(zhǔn)的HBM是另一個例子。

3）如何大批量生產(chǎn)這些Multi-Die系統(tǒng)？這就輪到封裝大顯身手了，這也是封裝的黃金發(fā)展時代?！?/p>

Ansys的Murat Becer補充到：“3DIC技術(shù)的發(fā)展對EDA提出了多維挑戰(zhàn)，不僅包括電源完整性和信號完整性，還有大規(guī)模集成設(shè)計引起的熱管理問題和信號完整性分析的復(fù)雜性。EDA社區(qū)必須提升多物理場、多尺度的建模與仿真能力來設(shè)計這些復(fù)雜系統(tǒng)，并確保其高效生產(chǎn)?！?/p>

面對上述這些挑戰(zhàn)，僅憑一家公司是無法解決的，行業(yè)合作是未來的關(guān)鍵。只有各個環(huán)節(jié)的供應(yīng)鏈廠商建立起合作關(guān)系，協(xié)同驗證芯片、3D系統(tǒng)和封裝，才能使3DIC設(shè)計、簽核和制造取得成功。

03.Multi-Die生態(tài)系統(tǒng)：可以在標(biāo)準(zhǔn)化中合作，在實現(xiàn)方面競爭

天下大勢，分久必合，合久必分。我們不難看到，在整個半導(dǎo)體行業(yè)，越來越多的重新融合正在發(fā)生，代工廠和設(shè)計廠商之間的聯(lián)系愈發(fā)密切，代工廠除生產(chǎn)制造外，加入了更多物理場和新方法相關(guān)的專業(yè)知識。Ansys、三星、英特爾、博世和新思科技也正在緊密合作，并在設(shè)計周期的幾個關(guān)鍵環(huán)節(jié)進行合作。

博世的Michael Schafferi強調(diào)：“面對半導(dǎo)體短缺暴露出的供應(yīng)鏈脆弱性，我們要想將多個Chiplet整合到單一封裝中，對于Multi-Die系統(tǒng)的良好發(fā)展，我們的愿景是建立一個開放的生態(tài)系統(tǒng)，實現(xiàn)真正有彈性的供應(yīng)鏈。要達(dá)成這一愿景，就需要廣泛的標(biāo)準(zhǔn)支持。在標(biāo)準(zhǔn)建立方面，我期待并希望業(yè)界熱衷于與合作伙伴甚至競爭對手真正的合作，建立統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。我們在標(biāo)準(zhǔn)化方面合作，但是可以在實現(xiàn)方面競爭?！?/p>

說到標(biāo)準(zhǔn)，UCIe是Die-to-Die連接標(biāo)準(zhǔn)方面的一個很好的例子，UCIe為封裝級互聯(lián)、IO和技術(shù)方面帶來了大量的專業(yè)知識。而要想Multi-Die系統(tǒng)的大規(guī)模采用和發(fā)展，這還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

三星的Cheolmin指出：“鑒于當(dāng)下先進封裝的重要性越來越凸顯，為了實現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟并向客戶提供價值，我們需要探索如何將封裝流程標(biāo)準(zhǔn)化，還有構(gòu)建、限定它的方法，以及進入類似汽車等特定細(xì)分市場的方法等等?！?/p>

英特爾的Lalithe Immaneni也表示：“UCIe正在不斷適應(yīng)3DIC，并提高超高密度互聯(lián)、小于25微米的凸塊兼具、更快的速度。除此之外，在裸片內(nèi)存連接等方面還需要進一步標(biāo)準(zhǔn)化，比如HBM4；在EDA領(lǐng)域，可互操作性的EDA標(biāo)準(zhǔn)也非常關(guān)鍵；在制造設(shè)備領(lǐng)域，當(dāng)我們把來自各個供應(yīng)商的Chiplet、封裝組合在一起時，也應(yīng)當(dāng)需要滿足一定的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格?！?/p>

“關(guān)于IP復(fù)用，是否應(yīng)該有一個針對所有這些3D堆疊的3D優(yōu)化IP、3D強化IP，以支持正在涉及到的各種配置，例如面對面和面對背配置，我們是否需要一個棧上垂直通信的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議？”新思科技Shekhar談到上述關(guān)于新標(biāo)準(zhǔn)的制定。

因此，整個行業(yè)應(yīng)共同努力，推動集成EDA工具標(biāo)準(zhǔn)、Die-to-Die IP連接標(biāo)準(zhǔn)、制造和封裝標(biāo)準(zhǔn)，乃至研究設(shè)備兼容性標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展，以加快這些Multi-Die系統(tǒng)的上市時間（TTM）并提高效率。

04.加速Multi-Die系統(tǒng)的采用，還有哪些捷徑？

裸片或Chiplet是Multi-Die系統(tǒng)的基本組成部分，它們常常在不同的制程節(jié)點上或由不同的代工廠制造。那么，在Chiplet市場中是否可能存在使IP復(fù)用更簡單或更具可擴展性的可能？這是否能加速Multi-Die系統(tǒng)的進一步發(fā)展？

對此問題，Ansys的Murat表示：“如果產(chǎn)業(yè)界緊密合作，創(chuàng)建一個chiplet庫，芯片公司就可以從這個庫中挑選合適的Chiplet并將其整合到自己的3DIC設(shè)計中。此外，每個Chiplet都應(yīng)該真正包含基于物理的模型，以實現(xiàn)3DIC級別的多物理場驗證。

英特爾Lalithe對于建立一個富有成效的Chiplet生態(tài)系統(tǒng)持積極態(tài)度。利用來自不同供應(yīng)商在各工藝節(jié)點上驗證的IP，可以顯著提速產(chǎn)品上市。復(fù)用性、可擴展性以及在降低成本和提升性能方面，Chiplet生態(tài)系統(tǒng)提供了更多可能。

“驅(qū)動IP復(fù)用有兩大因素：第一是成本，第二是上市時間?！辈┦赖腗ichael對此進一步解釋道，“首先，你會發(fā)現(xiàn)Chiplet的開發(fā)成本非常高，能夠復(fù)用于多個行業(yè)Chiplet的公司將處于更有利的位置；在當(dāng)今時代，時間就是金錢，中國汽車市場的發(fā)展速度驚人，我們必須要及時跟上潮流?！?/p>

但歸根結(jié)底，對于Multi-Die系統(tǒng)的長遠(yuǎn)發(fā)展，長期可靠性是至關(guān)重要的因素。要達(dá)到這一目標(biāo)，需要整個供應(yīng)鏈進行層層把關(guān)。

Ansys的Murat Becer強調(diào)了兩點：“首先，要確保Multi-Die系統(tǒng)的設(shè)計和驗證方法足夠可信，通過多物理場驗證和跨平臺合作，確保系統(tǒng)的可靠性；其次，針對3DIC系統(tǒng)的特殊性，由于設(shè)計自由度和參數(shù)的顯著提升，高效的早期原型設(shè)計至關(guān)重要?！?/p>

“如果你觀察Multi-Die系統(tǒng)的整體構(gòu)成，就會發(fā)現(xiàn)可靠性、良率、安全性，所有這些問題都開始凸顯，整個系統(tǒng)中最弱的部分決定了整體的表現(xiàn)?！毙滤伎萍嫉腟hekhar指出，需要用全局的眼光看待問題，不僅必須確保每個部分的可靠性，還要確保整個系統(tǒng)的可靠性，對所有裸片進行更復(fù)雜的模型管理。比如，一個簡單的雙裸片、一個中介層和一個封裝，他們各自有95%的良率，但是放在一起，最終只有80%的良率。在Chiplet庫中，Chiplet可能來自不同的供應(yīng)商，這可能會增加其可靠性方面的挑戰(zhàn)，那么它必須具有可追溯性、監(jiān)測數(shù)據(jù)、安全簽名等。關(guān)于這些，新思科技的siliconDASH數(shù)據(jù)分析技術(shù)將可以用來分析、校對和合并來自不同來源的所有數(shù)據(jù)。

三星的Cheolmin Park指出：“Multi-Die系統(tǒng)和先進封裝引入的新組件，比如硅通孔（TSV）和封裝層面的組件，都是新挑戰(zhàn)。這些系統(tǒng)的帶寬、凸塊數(shù)量以及連通性都比以前有了質(zhì)的飛躍，再加上熱管理的復(fù)雜性，這要求我們從性能、功耗和可靠性角度全面理解組件間的相互作用。為此，我們需要在EDA合作伙伴的工具集中包含這些因素，以便在客戶現(xiàn)場測試前就能預(yù)測組件和封裝級別的長期可靠性。這就要求我們與EDA供應(yīng)商緊密合作，并盡可能透明地交換數(shù)據(jù)集?！?/p>

05.總結(jié)

在這場關(guān)于Multi-Die系統(tǒng)綜合問題的討論中，行業(yè)專家們的見解讓我們得以了解現(xiàn)在Multi-Die發(fā)展的來龍去脈，并窺見了未來的輪廓。這些觀點不僅呈現(xiàn)了一個技術(shù)進步迅猛的行業(yè)圖景，而且也描繪了一個需要創(chuàng)新思維和跨學(xué)科合作的未來。面對Multi-Die系統(tǒng)所引領(lǐng)的新技術(shù)革命的浪潮，行業(yè)正在步入一個以系統(tǒng)為核心，合作共贏為基石的新時代。隨著云計算和人工智能的融入，我們可以預(yù)見，無論是在設(shè)計理念、生產(chǎn)流程還是最終產(chǎn)品方面，未來都將呈現(xiàn)前所未有的變化。正如這些專家所展示的那樣，不斷的創(chuàng)新和適應(yīng)，將是推動行業(yè)發(fā)展、迎接挑戰(zhàn)的不竭動力。