混合芯片封裝的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)越來(lái)越大

整個(gè)半導(dǎo)體生態(tài)系統(tǒng)開(kāi)始著手解決一長(zhǎng)串技術(shù)和業(yè)務(wù)變化，這些變化將需要繼續(xù)超越摩爾定律，使芯片的異構(gòu)組合更容易、更便宜和更可預(yù)測(cè)。

混合各種die并以模塊化方式將它們組合在一起有許多好處。從設(shè)計(jì)的角度來(lái)看，這種方法提供了最廣泛的可用 IP 選擇，以及為特定應(yīng)用提供最佳 IP、使用最佳工藝技術(shù)開(kāi)發(fā)且價(jià)格合適的能力。它還可以利用 OSAT 進(jìn)行組裝和測(cè)試，而不是僅僅依賴代工廠，從而為供應(yīng)商的廣泛選擇和不同的封裝選項(xiàng)打開(kāi)了大門。

這種多芯片或多芯片設(shè)計(jì)方法還有其他不太明顯的影響。西門子 EDA的 DRC 產(chǎn)品管理總監(jiān) John Ferguson 表示，一方面，它可能會(huì)加劇代工廠之間的競(jìng)爭(zhēng)，從而導(dǎo)致芯片組成本更低。

此外，它還允許政府和公司在競(jìng)爭(zhēng)激烈的市場(chǎng)中利用多個(gè)代工廠。這是否會(huì)提高或降低安全性可能取決于各種組件的來(lái)源，但它確實(shí)確保沒(méi)有代工廠能夠完全訪問(wèn)最終設(shè)計(jì)及其所有 IP。

“HBM 可能來(lái)自三星，然后你正在設(shè)計(jì)你的處理器，這對(duì)代工廠來(lái)說(shuō)將是一個(gè)更大的挑戰(zhàn)，” Cadence定制 IC 和 PCB 事業(yè)部產(chǎn)品管理組總監(jiān) John Park 說(shuō)。“三星是否與臺(tái)積電共享完整的晶圓級(jí)設(shè)計(jì)?OSAT 一直在這樣做。OSAT 長(zhǎng)期以來(lái)一直集成來(lái)自多個(gè)不同供應(yīng)商的多個(gè)裸片，因?yàn)樗鼈儾槐灰暈榇じ?jìng)爭(zhēng)對(duì)手。這可能會(huì)開(kāi)始改變，因?yàn)楝F(xiàn)在所有的 OSAT 都在提供所有這些方面的特色。它有可能成為一個(gè)巨大的生態(tài)系統(tǒng)。”

這將對(duì)整個(gè)供應(yīng)鏈的關(guān)系產(chǎn)生重大影響。“誰(shuí)將與誰(shuí)分享他們的晶圓?你必須展示整個(gè)晶圓，因?yàn)闊o(wú)論誰(shuí)要構(gòu)建中介層，他們都會(huì)進(jìn)行組裝，”Park 說(shuō)?！袄纾粋€(gè) OSAT 會(huì)得到一個(gè)晶圓，然后他們會(huì)對(duì)它進(jìn)行碰撞和切割。同樣的事情也適用于這里?，F(xiàn)在我們開(kāi)始討論芯片優(yōu)先與芯片后的問(wèn)題，或者是否將中介層安裝到封裝上。最可靠的方法是獨(dú)立構(gòu)建中介層，先將其安裝到 BGA，然后將裸片連接到其上。代工廠現(xiàn)在都與 OSAT 有著非常非常緊密的關(guān)系，因?yàn)樗麄儞碛猩鷳B(tài)系統(tǒng)，而且歸根結(jié)底，一切都在一個(gè)封裝上。您可以進(jìn)行所有想要的高級(jí)集成。

這也從根本上改變了衍生芯片的方程式。Siemens EDA 的高級(jí) IC 封裝技術(shù)專家 Kevin Rinebold 表示，在中介層設(shè)計(jì)中混合芯片還可以重復(fù)使用以前設(shè)計(jì)的芯片，以聚合到多個(gè)設(shè)計(jì)組件中。

因此，現(xiàn)在的重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到創(chuàng)建系統(tǒng)并針對(duì)性能、功率和成本進(jìn)行優(yōu)化的最佳方式。但它也提出了設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)需要解決的問(wèn)題，據(jù)Synopsys產(chǎn)品營(yíng)銷總監(jiān) Kenneth Larsen 說(shuō)。其中：

如何分解設(shè)計(jì)以利用不同的技術(shù)節(jié)點(diǎn)?

不同種類的技術(shù)是如何混合的?

如何處理數(shù)十或數(shù)百個(gè)chiplet?

如何將設(shè)計(jì)擴(kuò)展到芯片之間潛在的數(shù)十億個(gè)連接?

HBM 和 HBI 如何連接?

如何路由信號(hào)以確保這些信號(hào)的完整性?

ECO是如何完成的，如果有影響PCB的變化，如何處理?

如何進(jìn)行分析?

“所有這些都聯(lián)系在一起，”拉森說(shuō)?！坝形⑼箟K、TSV、microTSV，還有HBM、HBI等接口。die之間的相互聯(lián)系也必須得到照顧?！?/p>

除了好處之外，還有許多其他方面需要牢記。“對(duì)于單一供應(yīng)商，如果出現(xiàn)問(wèn)題，您可以通過(guò)一個(gè)點(diǎn)來(lái)追蹤根本原因，”西門子 EDA 的弗格森說(shuō)?！巴ㄟ^(guò)分解，你要么必須自己做，要么必須在整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)中瀏覽信息和相互指責(zé)。它還可能導(dǎo)致裝配商的更多開(kāi)銷，例如需要通用和/或兼容裝配規(guī)則的供應(yīng)鏈和裝配規(guī)則?！?/p>

此外，整個(gè)供應(yīng)鏈的職責(zé)可能會(huì)發(fā)生重大調(diào)整。“很長(zhǎng)一段時(shí)間以來(lái)，我們一直擁有一個(gè)芯片團(tuán)隊(duì)和一個(gè)封裝團(tuán)隊(duì)，”Larsen 說(shuō)?！斑@是兩個(gè)不同的組織一起工作。但是，當(dāng)您進(jìn)入這些進(jìn)行大量集成的系統(tǒng)時(shí)，團(tuán)隊(duì)之間的接觸點(diǎn)數(shù)量會(huì)急劇增加。組織模式可能是未來(lái)幾年將發(fā)生變化的事情之一。我不知道它是否會(huì)成為一個(gè)負(fù)責(zé)解決方案性能的團(tuán)隊(duì)，一個(gè)構(gòu)建這種系統(tǒng)的團(tuán)隊(duì)，或者它是否會(huì)繼續(xù)成為兩個(gè)獨(dú)立的團(tuán)隊(duì)。通過(guò)擁有所有這些芯片和技術(shù)，并一起優(yōu)化它們，我懷疑這將成為 IC 挑戰(zhàn)，而不是集成挑戰(zhàn)。

責(zé)任和義務(wù)是chiplet領(lǐng)域的主要問(wèn)題?！皬纳虡I(yè)角度來(lái)看，你如何處理設(shè)計(jì)不同方面的所有權(quán)?” Synopsys 的高級(jí)產(chǎn)品營(yíng)銷經(jīng)理 Manuel Mota 問(wèn)道?！斑@是一個(gè)正在發(fā)生很大變化的領(lǐng)域，絕對(duì)是chiplet和多芯片市場(chǎng)需要解決的問(wèn)題?！?/p>

事實(shí)上，非技術(shù)業(yè)務(wù)問(wèn)題可能比技術(shù)本身更重要。在很大程度上，許多技術(shù)問(wèn)題已經(jīng)得到解決。英特爾、AMD 和 Marvell 均已成功部署chiplet戰(zhàn)略。但是商業(yè)的、現(xiàn)成的chiplet更困難，部分原因是需要更好地表征現(xiàn)成的集成，部分是因?yàn)閷?duì)于這些部分應(yīng)該如何組合在一起以及誰(shuí)負(fù)責(zé)不同的問(wèn)題存在不同的意見(jiàn)。這些設(shè)計(jì)中的元素。

“在今天的組織模型中，有系統(tǒng)設(shè)計(jì)師、SoC 前端設(shè)計(jì)師、SoC 布局布線工程師、功率熱噪聲工程師、簽核團(tuán)隊(duì)、DFT、封裝、PCB 團(tuán)隊(duì)，所有這些團(tuán)隊(duì)都有走到一起，”拉森說(shuō)?！皬膩?lái)沒(méi)有一個(gè)地方可以將整個(gè)系統(tǒng)視為一個(gè)整體。許多人一直在使用 PowerPoint 和 Excel 繪制草圖，然后創(chuàng)建自己的流程以將事物組合在一起。也許它現(xiàn)在有效，但它會(huì)被打破。它太昂貴了，不僅在構(gòu)建流程方面，而且在流程中的人為參與。您不能使用您的明星工程師來(lái)維持流程。他們需要設(shè)計(jì)下一代芯片?！?/p>

在構(gòu)建這些大型 SoC 的不同組和不同團(tuán)隊(duì)之間有一種通用的溝通方式至關(guān)重要。“這關(guān)系到整個(gè)行業(yè)，”莫塔說(shuō)?！叭绻窃谝患夜局袕?3D-IC 構(gòu)建這種多芯片 SoC，那么它最終是您需要定義的內(nèi)部流程。但是，如果您從其他公司或從不同工藝的代工廠等處購(gòu)買其中的一些die，那么您收到的任何東西都需要集成到此設(shè)計(jì)流程中。您需要提供一套一致的附屬品，使您能夠在進(jìn)行全面驗(yàn)證時(shí)將其插入一致的設(shè)計(jì)流程中，而這仍然需要不斷發(fā)展。”

技術(shù)方面的一大挑戰(zhàn)是如何使用一種或多種標(biāo)準(zhǔn)化互連方案集成所有這些不同的chiplet。

Anthony Mastroianni 說(shuō)：“由于用于不同芯片/chiplet的不同 DFT 工具之間的互操作性，需要在 PHY 中實(shí)現(xiàn)不同供應(yīng)商芯片/chiplet之間的裸片到裸片接口的互操作性，以及更復(fù)雜的整體封裝組裝測(cè)試。” , Siemens EDA 的高級(jí) IC 封裝解決方案架構(gòu)師。

這也包括適當(dāng)?shù)牡盅浩?。但是在過(guò)去的五年中，在開(kāi)發(fā)適用于來(lái)自不同代工廠的不同技術(shù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)方面取得了進(jìn)展。

“通常，IC 工具在單個(gè)芯片、單個(gè)技術(shù)文件、單個(gè)規(guī)則上工作，”Larsen 指出?！拔覀兛吹叫枰獢U(kuò)展此數(shù)據(jù)框架以混合和匹配技術(shù)——例如，如果您使用您最喜歡的代工廠的 3nm 和另一家公司的中介層技術(shù)。假設(shè)您最終使用三種不同的技術(shù)在中介層上使用了兩個(gè)芯片。您如何將其引入并視為一個(gè)整體?”

每個(gè) die/dielet/tile/chiplet 的一些附屬品可以作為技術(shù)文件引入。但是有一個(gè)地方將這兩種不同的東西結(jié)合在一起，它們必須掛在一起。對(duì)于技術(shù)文件中沒(méi)有規(guī)定的空間，如何與其他供應(yīng)商集成?

“我們已經(jīng)與一些代工廠和一些集成公司合作，以找出一種在芯片之間交換信息的方法，”拉森說(shuō)。“這不是 IP 協(xié)議。這真的是，'你將你的設(shè)計(jì)發(fā)送給你的 OSAT。您在組裝時(shí)有什么樣的制造要求?當(dāng)你進(jìn)入這條路或那條路時(shí)，你應(yīng)該預(yù)先檢查什么樣的設(shè)計(jì)規(guī)則?你需要多少進(jìn)入系統(tǒng)的東西才能制造并實(shí)現(xiàn)高可靠性和產(chǎn)量?業(yè)界正在醞釀一些新事物，以支持將兩個(gè)芯片與您的代工廠或 OSAT 放在一起的概念?！?/p>

中介層的高成本

一些先進(jìn)封裝的限制因素之一是中介層的成本。“如果您要設(shè)計(jì)超大容量產(chǎn)品，您需要外形尺寸和所獲得的性能，因此您會(huì)花掉額外的錢，”Park 說(shuō)?！叭欢嗟娜藭?huì)選擇沒(méi)有 TSV 的有機(jī)薄膜。這是一個(gè)類似板的工藝，而不是像硅中介層那樣精細(xì)的間距。硅中介層為1μm線，空間更小。插入器需要警惕的是有很多不同的類型。”

直到 2010 年左右，封裝主要是為了縮小或封裝 PCB?！斑@些工具、各種層壓板樣式或其他類型的基板都類似于 PCB，”他說(shuō)?！叭缓笤?2011 年，隨著賽靈思插入器的推出，改變了世界。我們收到了更多的 IC 要求，這很有趣。一直有來(lái)自 PCB 方面的要求和技術(shù)，但現(xiàn)在隨著代工廠進(jìn)入這一業(yè)務(wù)，需要來(lái)自芯片領(lǐng)域的更多投入以及方法和技術(shù)。設(shè)計(jì)數(shù)字芯片與設(shè)計(jì)多芯片模塊、系統(tǒng)和封裝是不分晝夜的。我們?yōu)橐粋€(gè)人使用的工具對(duì)另一個(gè)人不起作用。”

也就是說(shuō)，需要在工具方面進(jìn)行更多創(chuàng)新才能將這些世界結(jié)合在一起，并克服令人難以置信的高昂設(shè)計(jì)成本。

整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的問(wèn)題

隨著工具和制造生態(tài)系統(tǒng)的不斷變化，是否會(huì)產(chǎn)生廣泛的漣漪效應(yīng)?OSAT 是否有可能分擔(dān)更多份額?或者代工廠會(huì)繼續(xù)在封裝和組裝方面增加新的服務(wù)嗎?如果英特爾是該行業(yè)的領(lǐng)頭羊，那么其他半導(dǎo)體公司可能會(huì)重組并回歸 IDM 模式。

“雖然英特爾可以用自己的晶圓廠做所有事情，包括封裝，但其他人不太可能在短期內(nèi)效仿，”帕克說(shuō)?！跋喾矗S與 OSAT 建立了友好的合作伙伴關(guān)系。他們意識(shí)到他們需要彼此來(lái)完成設(shè)計(jì)。過(guò)去，當(dāng)代工廠開(kāi)始涉足這項(xiàng)業(yè)務(wù)時(shí)，他們看起來(lái)像是要消滅 OSAT，但后來(lái)他們建立了合作伙伴關(guān)系。排名第一和排名第二的代工廠現(xiàn)在在技術(shù)會(huì)議的演講中展示了與所有各種 OSAT 的合作伙伴關(guān)系。當(dāng)然，也有一次性的，比如英特爾，它是一站式商店。但這是chiplet問(wèn)題。我們有這些chiplet，也沒(méi)有人愿意分享這些。如果您是 AMD 或 Intel，您可以構(gòu)建您的chiplet，并將其用于您正在組裝的 die-to-die 封裝，但他們不太可能與公眾共享該chiplet。這就是chiplet生態(tài)系統(tǒng)的障礙?？赡芤?2025 年我們才能弄清楚，所以我可以去目錄訂購(gòu)現(xiàn)成的chiplet，添加我的‘特殊醬汁’，然后構(gòu)建它。這就是 DARPA 的 CHIPS 的愿景。我們?nèi)栽谂??！?/p>

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審核編輯：湯梓紅