chiplet威廉希尔官方网站 解析 基于chiplet的SiP威廉希尔官方网站 挑战

人们都相信chiplet有希望打破阻碍摩尔定律的壁垒，并颠覆半导体供应链。但它们依赖于复杂的封装解决方案，且这些解决方案远未达到成熟。   由于chiplet据称能够将一个庞大、先进的SoC解构为相对低端制程的较小的die，从而暗示了一种绕过摩尔定律的道路。通过提供一种替代方案，chiplet也有望改变10nm以上芯片制造的两方垄断局面，从而带来更多样化、更稳健的供应链。   Chiplet听起来似乎简单，但其背的SiP（system-in-package）威廉希尔官方网站 却是一项非同小可的威廉希尔官方网站 。在基于chiplet的SiP推广之前，必须克服几类威廉希尔官方网站 挑战。目前的迹象是乐观的，但chiplet得到普及还有一段路要走。  

KGD问题‍‍

首先是KGD（known good die）问题，这是一个乘法问题。简单来说，SiP能够正常工作的概率小于SiP中每个单独die的良率的乘积（假设这些单个概率在统计上是独立的）。   如果你有一个由两个die组成的SiP（比如，一个CPU和一个大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，即两者的乘积，大约88%。   于是，这个问题很快就会变得比较复杂。例如，Intel最近宣布，其Ponte Vecchio GPU SiP包含惊人的47种不同类型的die。如果进入SiP的每个die中有1%是有问题的，即使在装配、封装和测试中没有任何损失，Intel也只能在装配和封装后获得低于63%的良率。如果这个进料异常率提高到10%，那么大约每150个GPU SiP中只有一个是可以正常工作的。  

那么，该怎么做呢？显然，第一步是尽一切可能降低进料异常率。这包括在每个入厂die的测试阶段增强测试覆盖。Chiplet供应商（尤其是所有的die不是来自同一供应商的情况下）必须不仅测试短路或开路，还要测试时序故障、内存性能，以及可能暗示早期老化故障的参数，包括他们能识别出可能导致SiP提前失效的任何问题。在晶圆经过测试并分解成单独的die之后，可能需要再次通过光学检查和电气测试，以排除在分离过程中受损的die。

  即使进行了广泛的测试覆盖，仍然会存在问题。测试向量不可避免地会遗漏一些故障。有些故障会是间歇性的，或者只会随时间的推移出现。在某些设计中，要达到在SiP级别上可接受的良率可能需要冗余和自我修复威廉希尔官方网站 ，而这些威廉希尔官方网站 目前在某些特定的关键任务芯片之外还处于非常早期的开发阶段。或者，可能需要一种实际的方法来修复SiP，而不是丢弃它，这在可靠性实验室之外是不可能的。在一定程度上，修复取决于SiP的组合方式。

  结构几乎决定一切‍‍

在SiP中将die组合在一起有很多种方式。Die之间传输信号的方式也有很多种。这两个问题是分开的，但却相互交织。   最简单的die的排列方式是将它们像地砖一样平放在基板上。

Die可以是正面朝上，也可以是正面朝下。基板可以是用于单个die封装的同一材料，或者是更先进的有机材料，支持更细的互连线路和更精细控制的阻抗。或者，它可以是硅。在不久的将来，包括Intel在内的一些公司可能会开始使用玻璃。   如果你需要减小SiP的面积，或者如果你需要让一些die物理上接触到彼此，以便在它们之间获取更多或更快的连接，你可以将die堆叠起来。这可能意味着简单地将一个die放在其他die的上面，使边缘重叠，或者在一个更大的die上放一个更小的die。或者，它可能意味着建造精细的die塔，比如在内存控制器die上堆叠一堆高带宽内存die，形成一个非常快速的DRAM塔。这些威廉希尔官方网站 的组合也是可能的。  

互联问题‍‍

互连是另一个问题。如何将信号和电源从一个地方传输到另一个地方取决于很多因素：涉及信号数量、带宽或比特率、你能容忍的延迟，以及你的预算。

除了最后一点，所有这些都受到一个因素的强烈影响：系统架构如何巧妙地分割为chiplet。如果它们之间只有少数低速总线和控制信号，那么互连就很容易。相反，如果在SiP中分布的chiplet之间有数千个信号，而它们的速度限制了最终系统的性能，那么只有最先进的封装才能有效地工作。

一旦你量化了互连需求，就有很多可选方案。首先是传统的线键合，在die和基板上的键合垫之间串接超细线。线键合可追溯到晶体管时代的初期，是已经非常成熟并且普及的威廉希尔官方网站 。线键合可以将die相互连接起来，也可以将die连接到基板上的键合垫上。但目前线键合能提供的密度（每平方毫米的垫数）和频率最低。由于这些原因，焊线威廉希尔官方网站 通常与传统封装基板材料一起使用。

如果你需要更高的互连密度或速度，你必须将一个表面上的接触点直接连接到另一个表面上的接触点。在中等密度的情况下，通常通过在两个垫之间放一个焊球来完成。在更高密度时，你需要制造一些更复杂的结构，比如一组铜柱，来连接两个表面上的垫。（在光学显微照片中，这些铜柱阵列看起来就像一个农场或城市的天际线。）

这些威廉希尔官方网站 要求两个表面面对面，完全平整，并且垫要完全对齐。这需要两个die，或者die和基板，为彼此设计或设计为一个公共的接口标准。但是在某些情况下，所有的die都不能面对面安装：例如，3个die的堆栈。因此，你将不得不以某种方式将一些信号从die的活动面移动到背面的接触垫。要做到这一点，你可以在分离后的die上制作穿过die边缘、向下并绕到背面的导线。或者，现在更常用的方法是在减薄的晶片上钻通硅孔。无论如何，晶圆都需要进行特殊的处理，以创建连接并在背面制造痕迹和着陆点，这是chiplet供应商必须要理解的事实。

这些威廉希尔官方网站 通常会配合使用高性能有机基板，上面带有非常精细的互连线，也可能带有一些活动部件。在最严苛的设计中，设计师可能会选择硅而非有机材料，并使用IC晶圆制造工艺的最后步骤来在硅上创建超精细的互连线。这样的硅基板通常被称为interposer。Intel使用的一个有趣的变体，称为EMIB（embedded multidie interconnect bridge），将小块的硅植入到有机基板中。Die是朝下安装的，以便它们的接触点落在EMIB桥上，这些桥在相邻的die之间传送信号。

随着这些威廉希尔官方网站 变得更加精细，成本也会翻倍，因此这项威廉希尔官方网站 更有可能专属于一个大型代工厂。但最近，另一种替代方案出现在许多信号需要连接的情况下，其中一些可能具有非常高的数据速率，但没有哪个特别敏感于延迟。这种威廉希尔官方网站 ，由初创公司Eliyan推广，借用了来自网络和FPGA行业的高速串行接口威廉希尔官方网站 。但Eliyan将接口硬件简化，以符合芯片互连的特定要求，获取的接口小，功耗低，但能够在甚至是传统基板上以每秒数十Gb的速度传输数据包。你可以将信号分解成数据包，将数据包多路复用，然后将所有数据通过单线以串行方式传输。Eliyan声称，该威廉希尔官方网站 可以大大减少die之间的信号线的数量。更重要的是，由于收发器可以根据普通链路的特性进行调整，因此该威廉希尔官方网站 可以缓解或消除对先进封装材料和威廉希尔官方网站 的需求。

大量的分析需求‍‍

一旦你决定了SiP的形式，chiplet组装需要在许多领域进行大量分析，其中只有一部分是电气方面的。例如，你需要考虑热行为。封装中的每一个die都是一个热源，有自己的热点和冷点，其位置和温度会随着系统操作模式和工作负载的不同而改变。将die组装到先进的封装中会使它们相互加热，并在die间积聚热量，从而在三维空间中产生局部的、可能是移动的热点。这些问题区域可能导致电路故障或SiP的物理损坏。因此，基于电路功率建模的动态3D热分析是必要的。

承载SiP的电路板的热膨胀和弯曲会导致SiP组件本身产生机械应力。这种应力可能会破坏微妙的互连或使die脱层。更严重的是，die上的应力会改变其晶体管的电气行为，从而导致电路故障。因此，除了热分析外，还需要对SiP进行机械分析，考虑热膨胀、外部应力和振动。

由于die间的互连比die内部的互连长得多，且物理性质也大不相同，因此需要对其进行专门的建模，通常包括完全的电磁场建模。这是为了获取穿越die间路径的精确计时，以及进行信号和功率完整性分析。

另一点涉及到对组装和封装的SiP进行最终测试。由于芯片内罕见的未检测到的故障、机械损伤或互连故障，故障总会发生的。但是，大部分的SiP信号在设备封装后无法接触到测试器。因此，测试设计师必须达到出色的测试覆盖率（并在此基础上提供故障的根本原因分析），同时必须严重依赖chiplet本身的内建的自我测试。

这只是基于chiplet的SiP可能面临的问题的一些要点。虽然威廉希尔官方网站 基本上已经到位，尽管更先进的威廉希尔官方网站 如今是各个主要代工厂的专利。许多分析工具已经存在，并正在凝聚成更易于操作的平台。但是，从架构划分的基础知识到die设计，再到封装设计和分析，到供应链管理的每个方面的学习曲线都很艰难，并且每个领域经验丰富的工程师都很稀缺。今天，将chiplet从一个伟大的想法落地为一种可行的威廉希尔官方网站 ，再转变为一种主流选择，仍然是一个进行中的工作。

编辑：黄飞