IMEC更新|Chiplet互连技术

文摘   科技   2024-09-02 08:00   四川  
引言
半导体行业长期以来一直依靠摩尔定律推动创新,但随着我们接近晶体管缩放的物理极限,需要新的方法来继续推进芯片性能和功能。Chiplet互连技术应运而生,正在重塑半导体设计和制造的格局。

本文将探讨Chiplet的世界、其优势以及使其成为可能的前沿互连技术。研究Chiplet集成的各种方法,包括2.5D和3D技术,并探讨未来面临的挑战和机遇[1]。

了解Chiplet

Chiplet是具有特定功能的小型模块化芯片,可以组合成单个封装或系统。可以将其视为半导体世界的乐高积木——可以混合搭配以创建针对特定应用的复杂系统的独立部件。

图1:此图说明了Chiplet如何提供模块化系统,将来自不同供应商和技术节点的单独芯片组合在一起,与传统的单片系统芯片设计形成对比。


Chiplet技术的兴起
随着摩尔定律放缓,业界一直在寻找替代方案,以应对单片系统芯片(SoC)设计日益增加的复杂性和成本。Chiplet通过允许制造商执行以下操作提供了解决方案:
  1. 优化技术节点:不同功能可以使用适当的工艺技术,平衡性能和成本。
  2. 增加灵活性:通过更换单个Chiplet,可以更频繁地更新设计。
  3. 提高良率:较小、较简单的设计通常具有较高的良率。
  4. 降低成本:新芯片设计的入门成本降低,生产效率提高。

Chiplet技术的应用
虽然最初在高性能计算领域获得关注,但Chiplet正在进入各种应用领域:
  1. 汽车行业:提供可轻松更新或修改的灵活电子架构。
  2. 移动设备:结合计算、无线通信和显示驱动器等各种功能。
  3. 成像系统:更高效地集成传感器和处理单元。
  4. 内存解决方案:允许模块化和可扩展的内存配置。
  5. 量子计算:促进量子处理单元与经典控制电子线路的集成。

Chiplet互连技术
基于Chiplet的设计的成功取决于在各个Chiplet之间创建密集、高带宽连接的能力。两种主要方法已经出现:
  1. 2.5D集成
  2. 3D系统芯片(3D-SoC)

让我们详细探讨每种方法。

2.5D集成:中间层方法
在2.5D集成中,Chiplet通过公共基板(称为中间层)并排连接。这种方法允许高密度连接,同时保持相对简单的制造过程。


图2:此图展示了不同的2.5D集成方法,包括硅中间层、硅桥接和有机重分布层(RDL)。


中间层类型:
  1. 硅中间层:高性能应用的成熟技术,提供最精细的间距以及出色的热学和电学性能。但成本和复杂性较高。
  2. 有机基板:正在获得关注的更具成本效益的替代方案。研究人员正在努力实现与硅中间层相当的互连密度。
  3. 硅桥接:使用小型硅中间层在边缘连接Chiplet的混合方法,可能在性能和成本之间取得平衡。

2.5D集成中的互连间距:
  • 硅中间层:可实现亚微米间距
  • 有机RDL:目前目标为2μm间距,未来有望实现亚微米间距

2.5D集成中的微凸点:
Chiplet通常使用称为微凸点的小型焊料凸点连接到中间层。行业标准微凸点间距范围为30μm至50μm,研究正在推动实现10μm甚至5μm的间距。

3D系统芯片:堆叠实现终极集成
对于需要最高性能、最小形状因子或最大系统集成水平的应用,3D-SoC提供了一个引人注目的解决方案。这种方法涉及垂直堆叠Chiplet,创建真正的三维结构。

图3:此图展示了晶圆对晶圆混合键合,这是3D-SoC集成的关键技术,显示互连间距缩小到400nm。


3D-SoC的关键技术:
  1. 晶圆对晶圆混合键合:该技术允许在堆叠层之间创建极细间距的连接。IMEC使用SiCN作为键合介电质的方法已经实现了700nm的间距,未来有望实现400nm甚至200nm的间距。
  2. 芯片对晶圆键合:虽然无法达到与晶圆对晶圆键合相同的间距密度,但这种方法在组合不同Chiplet方面提供了更大的灵活性。

3D-SoC的优势:
  • 超高密度互连
  • 缩小形状因子
  • 可能降低功耗并提高性能
  • 能够将Chiplet集成为单个芯片

Chiplet互连技术面临的挑战
Chiplet提供了许多优势,但仍需解决几个挑战:
  1. 热管理:堆叠Chiplet可能导致热密度增加,需要创新的散热解决方案。
  2. 供电:确保跨多个Chiplet的充分电力分配,尤其是在3D堆叠中,这一点尤为重要。
  3. 测试和已知良品(KGD):开发有效的测试策略对单个Chiplet和组装系统的良率和可靠性来说很重要。
  4. 标准化:确保来自不同供应商的Chiplet之间的兼容性和通信需要全行业标准。


图4:此图展示了IMEC的3D互连路线图,总结了连接Chiplet的不同方法以及预计的互连密度和间距。


Chiplet互连技术的未来
随着半导体行业不断发展,Chiplet互连技术有望在保持创新步伐方面发挥重要作用。几个趋势正在塑造这项技术的未来:
  1. 间距缩小:持续努力减小互连间距将实现更高的带宽和更紧凑的设计。
  2. 先进封装:开发新的材料和工艺用于中间层和混合键合将提高性能并降低成本。
  3. 异构集成:结合来自不同工艺节点甚至不同材料(例如硅和III-V族半导体)的Chiplet将实现新的应用和提高性能。
  4. 人工智能和机器学习:基于Chiplet的设计非常适合AI加速器,允许模块化和可扩展的架构。
  5. 量子-经典集成:Chiplet可能会缩小量子处理单元和经典控制电子线路之间的差距,加速实用量子计算机的发展。

结论
Chiplet互连技术代表了半导体设计和制造的范式转变。通过将复杂系统分解为模块化、可重用的组件,Chiplet为面对晶体管缩放放缓的情况下继续创新提供了途径。2.5D和3D集成技术的结合,以及互连技术的进步,正在实现芯片设计中新水平的性能、效率和灵活性。

随着业界继续投资Chiplet技术,可以期待在互连密度、热管理和系统集成方面取得更加令人印象深刻的成就。半导体的未来是模块化的,Chiplet互连技术正在为下一代电子系统开辟新的机遇。

参考来源
[1] F. Author, "Chiplet Interconnect Technology: Piecing Together the Next Generation of Chips," 3D InCites, Jul. 2024. [Online]. Available: https://www.3dincites.com/2024/07/chiplet-interconnect-technology-piecing-together-the-next-generation-of-chips/. [Accessed: Aug. 25, 2024].



- END -



软件申请
我们欢迎化合物/硅基光电子芯片的研究人员和工程师申请体验免费版PIC Studio软件。无论是研究还是商业应用,PIC Studio都可提升您的工作效能。

点击左下角"阅读原文"马上申请


欢迎转载


转载请注明出处,请勿修改内容和删除作者信息!




关注我们



                      




关于我们:

深圳逍遥科技有限公司(Latitude Design Automation Inc.)是一家专注于半导体芯片设计自动化(EDA)的高科技软件公司。我们自主开发特色工艺芯片设计和仿真软件,提供成熟的设计解决方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio,分别针对光电芯片、微机电系统、超透镜的设计与仿真。我们提供特色工艺的半导体芯片集成电路版图、IP和PDK工程服务,广泛服务于光通讯、光计算、光量子通信和微纳光子器件领域的头部客户。逍遥科技与国内外晶圆代工厂及硅光/MEMS中试线合作,推动特色工艺半导体产业链发展,致力于为客户提供前沿技术与服务。


http://www.latitudeda.com/

(点击上方名片关注我们,发现更多精彩内容)




逍遥设计自动化
分享特色工艺半导体(PIC/Power/MEMS)设计自动化解决方案及行业技术资讯,与广大业界朋友、专家共同交流!
 最新文章