集成芯片與芯粒技術(shù)詳解

作者|北灣南巷 出品|芯片技術(shù)與工藝

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，集成芯片和芯粒技術(shù)正在引領(lǐng)半導(dǎo)體領(lǐng)域的創(chuàng)新。集成芯片技術(shù)通過縮小元器件尺寸和提高集成度，實現(xiàn)了電子產(chǎn)品的微型化和高效能化。與此同時，芯粒技術(shù)通過先進的封裝工藝，將多個功能芯片緊密集成成系統(tǒng)級封裝（SiP），進一步提升了系統(tǒng)的集成度和整體性能。這兩者共同推動電子產(chǎn)品朝著更高性能、更低功耗和更小體積的方向不斷演進。

#01 引 言

1.1 集成芯片與芯粒技術(shù)的背景和重要性

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，電子設(shè)備的功能和性能要求不斷提升。傳統(tǒng)單片集成電路（IC）在電子產(chǎn)品小型化和性能提升中發(fā)揮了重要作用，但隨著摩爾定律的放緩，其擴展能力受到限制。

在此背景下，集成芯片（IC-Integrated Chip）和芯粒技術(shù)（Chiplet Technology）應(yīng)運而生，成為應(yīng)對現(xiàn)代半導(dǎo)體設(shè)計和制造挑戰(zhàn)的關(guān)鍵。

集成芯片通過將多個功能模塊整合在單一芯片上，優(yōu)化了設(shè)備的尺寸、功耗和性能。而芯粒技術(shù)則通過在一個封裝內(nèi)集成不同工藝節(jié)點和功能模塊的芯粒，提升了系統(tǒng)性能和設(shè)計靈活性，并降低了成本。（*2023《集成芯片與芯粒技術(shù)白皮書》中的定義為：集成芯片是芯粒級半導(dǎo)體制造集成技術(shù)，通過半導(dǎo)體技術(shù)將若干芯粒集成在一起，形成新的高性能、 功能豐富的芯片。集成芯片是指先將晶體管集成制造為特定功能的芯粒（Chiplet），再按照應(yīng)用需求將芯粒通過半導(dǎo)體技術(shù)集成制造為芯片。）

1.2 微電子領(lǐng)域的地位和發(fā)展趨勢
集成芯片和芯粒技術(shù)在微電子領(lǐng)域具有重要影響。集成芯片推動了計算機、通信設(shè)備和消費電子的快速發(fā)展；而芯粒技術(shù)通過模塊化和異構(gòu)集成突破了傳統(tǒng)集成電路的限制，成為高性能計算和數(shù)據(jù)中心芯片的趨勢。

未來，隨著5G、人工智能（AI）、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）等技術(shù)的發(fā)展，電子設(shè)備對芯片性能、功耗和集成度的要求越來越高。集成芯片和芯粒技術(shù)的結(jié)合將成為滿足這些需求的重要手段，并繼續(xù)引領(lǐng)微電子領(lǐng)域的發(fā)展。

#02 集成芯片技術(shù)概述

集成芯片（Integrated Chip）是一個封裝內(nèi)包含一個或多個集成電路（IC）的電子元件。它作為一個整體組件，提供了將多種功能模塊集成在一起的能力。這一術(shù)語強調(diào)的是實際的芯片組件及其在封裝中的實現(xiàn)，而不僅僅是電路本身。

2.1 集成芯片和集成電路的差異

集成芯片（Integrated Chip）和集成電路（Integrated Circuit, IC）雖然相關(guān)，但并不完全相同。集成電路（Integrated Circuit, IC）是一種將多個電子元件集成在一塊半導(dǎo)體基板上的微型化裝置。集成芯片是實際的芯片組件，它可以包含一個或多個集成電路。以下是它們的區(qū)分和關(guān)系：

集成電路（IC）是構(gòu)成集成芯片的基礎(chǔ)技術(shù)，是一個廣泛的技術(shù)概念。

集成芯片可以包括一個或多個集成電路，強調(diào)的是實際的芯片組件和封裝形式。

集成芯片通過在一個封裝內(nèi)集成多個功能模塊，以實現(xiàn)以下目的：

減少物理體積：將傳統(tǒng)上分散的電路元件集成在一個芯片上，顯著減小了電路的物理體積。

提高電路性能：通過內(nèi)部優(yōu)化設(shè)計和減少信號傳輸路徑，提升了電路的性能和處理速度。

提高可靠性：減少了外部連接和焊接點，降低了故障率，增加了整體系統(tǒng)的可靠性。

2.2 技術(shù)挑戰(zhàn)與未來趨勢

技術(shù)挑戰(zhàn)

1. 設(shè)計復(fù)雜性

多功能集成：在集成芯片設(shè)計中，需要將多個功能模塊集成到一個封裝內(nèi)，這要求工程師在設(shè)計時綜合考慮電路兼容性、熱管理和功耗控制等問題，增加了設(shè)計的復(fù)雜性。

工藝兼容性：不同功能模塊可能采用不同的工藝節(jié)點，確保這些模塊在同一封裝中的兼容性和性能一致性是一個重要挑戰(zhàn)。

2. 制造成本

高成本：高度集成的芯片涉及復(fù)雜的制造工藝和精密的封裝技術(shù)，導(dǎo)致生產(chǎn)成本較高。降低這些成本而不影響性能和可靠性是關(guān)鍵問題。

良率問題：集成芯片中各個功能模塊的良率直接影響整個芯片的生產(chǎn)良率。單一模塊的缺陷可能會影響整個芯片的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

未來趨勢

1. 技術(shù)突破

異構(gòu)集成：未來的集成芯片將更多采用異構(gòu)集成技術(shù)，將不同工藝節(jié)點和功能模塊有效組合在一個封裝中，提升性能和功能，同時降低功耗和成本。

*異構(gòu)集成是一種先進的半導(dǎo)體設(shè)計技術(shù)，它允許來自不同制造商和工藝技術(shù)的芯片在同一封裝內(nèi)進行集成。這種方法的目的是為了實現(xiàn)更高的性能、更低的功耗和更大的設(shè)計靈活性。

先進封裝技術(shù)：如3D封裝和2.5D封裝技術(shù)，將成為集成芯片設(shè)計的重要趨勢，這些技術(shù)能實現(xiàn)更高密度的功能集成和更好的性能。

2. 新興應(yīng)用

人工智能：集成芯片將在AI計算和機器學(xué)習應(yīng)用中發(fā)揮關(guān)鍵作用，尤其在邊緣計算和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中。AI加速器和專用處理器將成為重要的集成芯片類型。

*在不同應(yīng)用場景下，AI系統(tǒng)的性能與其所需的芯片數(shù)量和存儲能力之間存在密切關(guān)系。隨著應(yīng)用需求的提高，對芯片數(shù)量和存儲容量的要求也隨之提升。

量子計算：雖然仍處于研究階段，量子計算的發(fā)展可能引領(lǐng)集成芯片設(shè)計的新趨勢，包括量子芯片的集成和量子處理器的開發(fā)。

3. 標準化與生態(tài)系統(tǒng)

技術(shù)標準化：未來的集成芯片設(shè)計將更加依賴標準化的接口和協(xié)議，以確保不同模塊和系統(tǒng)之間的兼容性和互操作性。集成芯片的高效組合關(guān)鍵在于接口的標準化。2022年3月，由Intel主導(dǎo)的通用高速接口聯(lián)盟（UCIe）成立，專注于制定芯粒技術(shù)的互聯(lián)標準。與此同時，中國也發(fā)布了相關(guān)規(guī)范，如中國計算機互連技術(shù)聯(lián)盟的《小芯片接口總線技術(shù)要求》和中關(guān)村高性能芯片互聯(lián)技術(shù)聯(lián)盟的《芯粒互聯(lián)接口規(guī)范》，以推動國內(nèi)芯片技術(shù)的標準化和兼容性。

生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)：集成芯片技術(shù)的發(fā)展將促進相關(guān)產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的建設(shè)，包括設(shè)計工具、制造技術(shù)和應(yīng)用平臺的全面發(fā)展。

#03 芯粒技術(shù)詳解

3.1 芯粒技術(shù)的定義與特征

芯粒技術(shù)（Chiplet Technology）是一種將多個具有特定功能的小型芯片（芯粒）通過先進的半導(dǎo)體封裝工藝集成在一起的方法，形成一個具有更復(fù)雜功能或更高性能的單一封裝。這種方法允許不同功能的芯粒在設(shè)計和制造上具有更大的靈活性，可以根據(jù)不同應(yīng)用的需求進行選擇和組合。

芯粒技術(shù)的這種特性使其在現(xiàn)代電子設(shè)備制造中扮演了越來越重要的角色，推動了電子技術(shù)的進一步發(fā)展。

芯粒技術(shù)通過其高性能、低功耗和快速開發(fā)的特性，展示了在現(xiàn)代電子產(chǎn)品設(shè)計中的巨大潛力。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的進步，芯粒技術(shù)預(yù)計將在未來的芯片設(shè)計中發(fā)揮關(guān)鍵作用，推動電子設(shè)備向小型化、高集成度和高性能發(fā)展。

3.2 芯粒技術(shù)的結(jié)構(gòu)與設(shè)計

芯粒技術(shù)（Chiplet Technology）在提升集成度和靈活性方面表現(xiàn)出色。了解芯粒的物理結(jié)構(gòu)和封裝形式，以及其設(shè)計流程和工具，對于深入掌握這項技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展至關(guān)重要。

如下,涵蓋了芯粒的物理結(jié)構(gòu)和主要封裝形式，展示了不同設(shè)計方案如何滿足性能、功耗和應(yīng)用需求。

物理結(jié)構(gòu)

*UCIe（Universal Chiplet Interconnect Express） 是一個由Intel主導(dǎo)成立的標準化組織，旨在制定芯粒技術(shù)的互聯(lián)標準。提升芯粒技術(shù)的整體性能和系統(tǒng)集成度，推動半導(dǎo)體行業(yè)向更高效、更靈活的方向發(fā)展。

封裝形式

3.3 設(shè)計流程和工具

芯粒的設(shè)計流程與傳統(tǒng)集成電路設(shè)計有顯著區(qū)別，因為芯粒技術(shù)涉及多個芯片的集成和互連，需要考慮封裝、信號完整性、熱管理等多方面因素。以下是芯粒技術(shù)的主要設(shè)計流程和工具：

設(shè)計流程：

設(shè)計工具：

3.4 芯粒的制造工藝

芯粒技術(shù)（Chiplet Technology）在電子產(chǎn)品的性能和功能集成方面提供了巨大的優(yōu)勢。其制造工藝較傳統(tǒng)集成電路更加復(fù)雜，因為它不僅涉及到芯片本身的制造，還包括多個芯片組件之間的互連、封裝和測試等過程。以下內(nèi)容將深入探討芯粒技術(shù)的生產(chǎn)流程和關(guān)鍵技術(shù)。

綜上所述，芯粒技術(shù)的制造工藝從晶圓制造到封裝測試，涉及多項關(guān)鍵技術(shù)和復(fù)雜流程。通過不斷優(yōu)化互連、封裝和測試技術(shù)，芯粒技術(shù)能夠在未來進一步提高芯片集成度和性能，為微電子領(lǐng)域的持續(xù)創(chuàng)新提供強大支撐。

芯粒技術(shù)憑借其高度的集成能力、優(yōu)異的功耗控制、顯著的成本優(yōu)勢以及靈活的定制化和可擴展性，展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景和發(fā)展?jié)摿?。隨著技術(shù)的不斷進步和市場需求的持續(xù)增長，芯粒技術(shù)將在未來的電子產(chǎn)品領(lǐng)域中發(fā)揮越來越重要的作用，為下一代電子設(shè)備的創(chuàng)新提供強有力的技術(shù)支持。

3.5 應(yīng)用場景與實際效果

芯粒技術(shù)憑借其高效的異構(gòu)集成和靈活的模塊化設(shè)計，已經(jīng)在多個領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，并取得了顯著的實際效果。以下是芯粒技術(shù)在主要應(yīng)用場景中的表現(xiàn)及其帶來的價值。

綜上所述，芯粒技術(shù)在消費電子、物聯(lián)網(wǎng)、汽車電子和航空航天等領(lǐng)域展現(xiàn)了廣泛的應(yīng)用前景和巨大潛力。其模塊化設(shè)計、高集成度和異構(gòu)集成能力，為各類電子系統(tǒng)提供了優(yōu)化的性能、功耗和可靠性解決方案，滿足了不同行業(yè)的特定需求。 3.6 未來發(fā)展趨勢與挑戰(zhàn)

在未來的發(fā)展中，芯粒技術(shù)將繼續(xù)在多個方面推進，面臨新的技術(shù)挑戰(zhàn)和商業(yè)化障礙。以下是芯粒技術(shù)未來發(fā)展的主要趨勢和挑戰(zhàn)。

綜上所述，芯粒技術(shù)未來的趨勢和挑戰(zhàn)在于技術(shù)創(chuàng)新、標準化和生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)、成本控制、以及與新興技術(shù)的融合。通過不斷突破技術(shù)瓶頸、建立健康的產(chǎn)業(yè)生態(tài)、優(yōu)化成本結(jié)構(gòu)和探索多技術(shù)融合，芯粒技術(shù)有望在未來繼續(xù)發(fā)揮其重要作用，推動電子產(chǎn)業(yè)的持續(xù)創(chuàng)新和發(fā)展。

#04 集成芯片與芯粒技術(shù)的融合應(yīng)用

4.1 融合技術(shù)的基本原理

融合技術(shù)的基本原理是將不同功能和特性的芯片單元（即芯粒）集成到一個封裝內(nèi)，從而在不依賴單一制造工藝節(jié)點的前提下，實現(xiàn)更高的性能、更低的功耗和更緊湊的設(shè)計。這種方法打破了傳統(tǒng)集成電路制造的工藝瓶頸，通過不同工藝節(jié)點和架構(gòu)的靈活組合，充分發(fā)揮每個芯粒的特性和優(yōu)勢，實現(xiàn)多功能集成和系統(tǒng)級優(yōu)化。

芯粒技術(shù)的核心要素：

融合技術(shù)的優(yōu)勢：

綜上所述，集成芯片與芯粒技術(shù)的融合應(yīng)用通過結(jié)合異構(gòu)集成、標準化互連和先進封裝技術(shù)，實現(xiàn)了性能提升、功耗優(yōu)化和靈活設(shè)計。它不僅在技術(shù)上突破了摩爾定律的瓶頸，還為未來電子系統(tǒng)的多功能、高性能和低功耗發(fā)展開辟了新路徑。這種融合不僅為設(shè)計師提供了更多的靈活性，也為最終用戶帶來了更高效、更智能的電子產(chǎn)品。推動了許多領(lǐng)域的發(fā)展，如消費電子、汽車電子、物聯(lián)網(wǎng)和高性能計算等。

4.2 不同融合方式的比較：系統(tǒng)級封裝（SiP） vs 系統(tǒng)級芯片（SoC）中的芯粒應(yīng)用

系統(tǒng)級封裝（SiP）和系統(tǒng)級芯片（SoC）代表了兩種不同的芯粒應(yīng)用方法。系統(tǒng)級封裝（SiP）通過將多個芯粒（如處理器、存儲器、傳感器等）集成在同一封裝內(nèi)，并利用先進的封裝技術(shù)實現(xiàn)芯片之間的互連和協(xié)同工作。這種方法能夠在一個封裝內(nèi)部形成一個功能豐富的系統(tǒng)，適合需要高度集成和多功能模塊的應(yīng)用場景。

與此不同，系統(tǒng)級芯片（SoC-system on chip）則將多個功能模塊（如CPU、GPU、存儲器、I/O接口等）集成在單一芯片上，形成一個完整的系統(tǒng)解決方案。這種集成方式能夠在一個芯片上實現(xiàn)全部所需的功能，通常用于對體積、功耗和性能有嚴格要求的場合。SoC的優(yōu)勢在于其高集成度和優(yōu)化的系統(tǒng)性能，但其設(shè)計和制造的復(fù)雜性較高。

系統(tǒng)級封裝（SiP）與系統(tǒng)級芯片（SoC）的芯粒應(yīng)用比較

#05 結(jié) 論

集成芯片和芯粒技術(shù)的快速發(fā)展，已成為半導(dǎo)體行業(yè)的核心趨勢。芯粒技術(shù)通過異構(gòu)集成和模塊化設(shè)計，優(yōu)化了性能和功耗，提升了系統(tǒng)集成度和功能多樣性，為突破傳統(tǒng)集成電路瓶頸提供了新的解決方案。

這種技術(shù)通過在同一封裝內(nèi)集成不同功能的芯粒，實現(xiàn)了性能、功耗和成本的最佳平衡，滿足了高性能計算、人工智能和物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域的需求，顯著縮短了開發(fā)周期，降低了成本，并提升了系統(tǒng)的可擴展性和定制能力。

芯粒技術(shù)還推動了半導(dǎo)體行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，促進了芯片從單一功能向多功能、可重構(gòu)系統(tǒng)的演進，推動了電子產(chǎn)品的智能化和多樣化發(fā)展。

展望未來，芯粒技術(shù)將在高性能計算、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)和汽車電子等領(lǐng)域繼續(xù)引領(lǐng)創(chuàng)新和市場擴展，隨著技術(shù)的成熟和生態(tài)系統(tǒng)的完善，其應(yīng)用將進一步擴大，推動行業(yè)進入新的增長周期。