Marvell | 異構(gòu)集成的技術(shù)路線圖

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

引言
* l7 P7 k1 \# G半導(dǎo)體行業(yè)長(zhǎng)期依賴技術(shù)路線圖來指導(dǎo)其發(fā)展并促進(jìn)合作。這一傳統(tǒng)始于1993年的美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體技術(shù)路線圖（NTRS），后來演變?yōu)閲?guó)際半導(dǎo)體技術(shù)路線圖（ITRS）。如今，隨著進(jìn)入半導(dǎo)體技術(shù)的新時(shí)代，異構(gòu)集成路線圖（HIR）成為焦點(diǎn)，應(yīng)對(duì)將多樣化組件集成到統(tǒng)一系統(tǒng)中的挑戰(zhàn)和機(jī)遇[1]。



" g  a0 L; B7 }; z* v: t3 d技術(shù)路線圖的演變
半導(dǎo)體技術(shù)路線圖的旅程始于戈登·摩爾博士在德克薩斯州歐文組織的一次富有遠(yuǎn)見的研討會(huì)。這次活動(dòng)匯集了179位技術(shù)專家，共同創(chuàng)造了行業(yè)未來的愿景。1993年發(fā)布的NTRS成為第一個(gè)開源半導(dǎo)體技術(shù)路線圖。
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* @' b1 `0 r0 ^/ l- r5 o圖1：展示AMD的3.5D 封裝。

$ C1 z7 X# |0 Q' _+ C5 `隨著行業(yè)全球化，NTRS擴(kuò)展為包括國(guó)際合作的ITRS，始于1998年。這項(xiàng)全球努力持續(xù)到2016年，ITRS的最后一版發(fā)布。認(rèn)識(shí)到持續(xù)合作的重要性，ITRS的異構(gòu)集成團(tuán)隊(duì)決定繼續(xù)推進(jìn)路線圖工作，聚焦于摩爾定律進(jìn)展的下一個(gè)時(shí)代和電子技術(shù)復(fù)興。

6 y# L" M7 G0 c理解異構(gòu)集成
- V# x! ~: h) c4 m異構(gòu)集成指將不同組件組裝成更高級(jí)系統(tǒng)。這種方法包括多個(gè)方面：

材料：集成具有不同特性的材料。

組件類型：結(jié)合集成電路、光電子技術(shù)、微機(jī)電系統(tǒng)和傳感器。

線路類型：整合DRAM、Serdes、邏輯、射頻和電源線路。

硅節(jié)點(diǎn)：集成來自不同工藝技術(shù)的組件。

鍵合和互連方法：利用各種技術(shù)連接組件。
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/ W" Z; q# Y$ ]- N1 ?圖2：展示了復(fù)雜的異構(gòu)集成例子，顯示多個(gè)Chiplet堆疊在有源中間層上。

: b9 ], k  o1 ~' ]6 A- e% XHIR涵蓋廣泛主題，組織成幾個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域：

集成過程

異構(gòu)集成組件

系統(tǒng)和市場(chǎng)應(yīng)用

跨領(lǐng)域主題
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- ^( a+ T' ?  ?) a# ~# _這些領(lǐng)域進(jìn)一步分為23個(gè)章節(jié)，涵蓋從單芯片集成到新興研究材料和安全考慮的各個(gè)方面。

圖3：顯示異構(gòu)集成路線圖的結(jié)構(gòu)，展示其各個(gè)章節(jié)和重點(diǎn)領(lǐng)域。
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2 B0 r/ X' j  W% f  X8 c異構(gòu)集成的挑戰(zhàn)和機(jī)遇
隨著行業(yè)向更復(fù)雜的集成系統(tǒng)發(fā)展，新的挑戰(zhàn)出現(xiàn)。最關(guān)鍵的領(lǐng)域之一是可靠性。異構(gòu)集成引入了新的多尺度芯片封裝相互作用和多物理失效模式，需要解決。
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圖4：顯示異構(gòu)集成系統(tǒng)的可靠性浴盆曲線，說明多個(gè)競(jìng)爭(zhēng)性失效模式。

( n- R2 c, _: \6 c: r( }2 k# n. g6 f為應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，行業(yè)正在開發(fā)新的方法來管理可靠性。這些方法結(jié)合了自下而上的物理模型和自上而下的大數(shù)據(jù)分析。目標(biāo)是創(chuàng)建"數(shù)字孿生"——物理系統(tǒng)的虛擬表示，可以預(yù)測(cè)和管理產(chǎn)品整個(gè)生命周期的可靠性。
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. g* h  _* v) K! i. U圖5：展示了管理可靠性的"數(shù)字孿生"概念，顯示自下而上和自上而下方法的融合。

HIR概述了未來15年可靠性進(jìn)展的路線圖：

1-5年：開發(fā)多物理融合方法用于可靠性保證，結(jié)合基于物理和機(jī)器學(xué)習(xí)的工具。

5-10年：為下一代穩(wěn)健HI系統(tǒng)的協(xié)同設(shè)計(jì)和預(yù)測(cè)健康管理（PHM）創(chuàng)建融合方法，關(guān)注容錯(cuò)和彈性設(shè)計(jì)。

10-15年：發(fā)展到具有集成自主生命周期管理能力的智能、自適應(yīng)和可重構(gòu)產(chǎn)品，包括自我認(rèn)知和自我修復(fù)系統(tǒng)。
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5 c& H% ]' V3 m熱管理：關(guān)鍵挑戰(zhàn)
隨著系統(tǒng)集成度越來越高，熱管理變得越來越重要。HIR確定了熱技術(shù)進(jìn)步的幾個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域：

熱界面材料：開發(fā)更高效的材料用于組件間的熱傳遞。

高性能計(jì)算多芯片模塊的系統(tǒng)熱限制：推動(dòng)高性能計(jì)算應(yīng)用的冷卻邊界。

嵌入式液體冷卻：探索芯片和芯片堆疊的先進(jìn)冷卻技術(shù)。

先進(jìn)熱材料：研究具有優(yōu)異熱性能的新材料。

熱機(jī)械建模：開發(fā)更好的工具來預(yù)測(cè)和管理異構(gòu)系統(tǒng)中的熱應(yīng)力。
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圖6：概述了異構(gòu)集成的先進(jìn)熱技術(shù)和研究領(lǐng)域。

協(xié)同設(shè)計(jì)：整體方法
為充分實(shí)現(xiàn)異構(gòu)集成的潛力，協(xié)同設(shè)計(jì)方法不可或缺。這種方法同時(shí)考慮系統(tǒng)設(shè)計(jì)的各個(gè)方面，包括：

布局和布線

架構(gòu)

電磁和電氣考慮

熱管理

智能材料

測(cè)試和可靠性

機(jī)械考慮
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圖7：顯示多尺度和多物理芯片封裝相互作用（CPI）流程，說明異構(gòu)集成中協(xié)同設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。

協(xié)同設(shè)計(jì)方法需要大量基礎(chǔ)設(shè)施和研究支持。大學(xué)在通過研究和人才培養(yǎng)推動(dòng)該領(lǐng)域發(fā)展方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。此外，開源工具和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等共享資源對(duì)促進(jìn)合作和創(chuàng)新極為重要。
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結(jié)論
- T8 }* O9 F' T: f2 _# y$ n: Q: R異構(gòu)集成代表半導(dǎo)體技術(shù)的新前沿。通過結(jié)合多樣化的組件和技術(shù)，可以提供高性能和功能。然而，這種方法也在設(shè)計(jì)、制造和可靠性方面帶來新的挑戰(zhàn)。

異構(gòu)集成路線圖為行業(yè)提供指導(dǎo)，概述關(guān)鍵研究領(lǐng)域和技術(shù)里程碑。未來，整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的合作——從材料供應(yīng)商到系統(tǒng)集成商——將是成功的關(guān)鍵。


參考文獻(xiàn)
& R+ G# K; n& a/ h* I[1] R. Rao, "Heterogeneous Integration Roadmap," presented at CMSE 2024, May 1, 2024.
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; J7 n+ w5 i( [$ b深圳逍遙科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家專注于半導(dǎo)體芯片設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）的高科技軟件公司。我們自主開發(fā)特色工藝芯片設(shè)計(jì)和仿真軟件，提供成熟的設(shè)計(jì)解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分別針對(duì)光電芯片、微機(jī)電系統(tǒng)、超透鏡的設(shè)計(jì)與仿真。我們提供特色工藝的半導(dǎo)體芯片集成電路版圖、IP和PDK工程服務(wù)，廣泛服務(wù)于光通訊、光計(jì)算、光量子通信和微納光子器件領(lǐng)域的頭部客戶。逍遙科技與國(guó)內(nèi)外晶圓代工廠及硅光/MEMS中試線合作，推動(dòng)特色工藝半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，致力于為客戶提供前沿技術(shù)與服務(wù)。

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