TSMC | 高帶寬Chiplet互連的技術(shù)、挑戰(zhàn)與解決方案

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

引言
/ Q" [; g% u! ]& u人工智能(AI)和機(jī)器學(xué)習(xí)(ML)技術(shù)的需求正以驚人的速度增長(zhǎng)，遠(yuǎn)超摩爾定律的預(yù)測(cè)。自2012年以來，AI計(jì)算需求以每年4.1倍的速度指數(shù)增長(zhǎng)，為半導(dǎo)體制程縮放和集成帶來重大挑戰(zhàn)。為應(yīng)對(duì)這些需求，業(yè)界采用了基于Chiplet的設(shè)計(jì)方法，將較大系統(tǒng)分解為更小、更易于管理的組件，這些組件可以分別制造并通過先進(jìn)封裝技術(shù)進(jìn)行集成[1]。
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先進(jìn)封裝技術(shù)
先進(jìn)封裝技術(shù)可以大致分為2D、2.5D和3D方法。2.5D集成技術(shù)，包括晶圓級(jí)芯片堆疊(CoWoS)和集成扇出型封裝(InFO)，在高性能計(jì)算應(yīng)用中獲得了顯著發(fā)展。

$ t1 q# y1 q" E5 c7 P3 a' @" t5 U圖1：臺(tái)積電3D Fabric技術(shù)組合，展示了包括CoWoS、SoIC和InFO平臺(tái)在內(nèi)的各種封裝選項(xiàng)，滿足不同集成需求。
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CoWoS技術(shù)提供三種主要變體：
2 ^+ K4 l) A, E- N1. CoWoS-S：采用硅中介層實(shí)現(xiàn)密集金屬布線
0 O1 f& E1 U. n5 f2. CoWoS-R：在有機(jī)中介層中使用重布線層
# n8 ~( X+ h/ |8 ?, D3. CoWoS-L：結(jié)合-R和-S兩種方案的優(yōu)勢(shì)
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, g, c% x1 S3 K3 i5 e/ O5 ~( sInFO平臺(tái)已從移動(dòng)應(yīng)用發(fā)展到高性能計(jì)算，提供多種選項(xiàng)，包括局部硅橋接和嵌入式去耦電容，以實(shí)現(xiàn)更好的供電性能。

4 @, Z; p; r1 |7 Y" \芯片間互連應(yīng)用
芯片封裝的演進(jìn)帶來了各種凸點(diǎn)間距縮放選項(xiàng)，從傳統(tǒng)MCM封裝(110-130μm間距)到先進(jìn)的2.5D封裝(40μm間距)和3D集成(9μm或更小間距)。
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圖2：凸點(diǎn)間距縮放視角，展示了從MCM到先進(jìn)封裝技術(shù)的演進(jìn)，隨著間距減小帶寬密度不斷提高。
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現(xiàn)代Chiplet系統(tǒng)中使用不同的互連技術(shù)服務(wù)于不同目的：
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計(jì)算到計(jì)算及IO連接使用UCIe PHY

計(jì)算到內(nèi)存連接使用HBM PHY

計(jì)算到SRAM連接通過3D堆疊實(shí)現(xiàn)

IO chiplet到外部IO使用XSR-SerDes
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; V, h& {  B! Y+ q6 X4 V圖3：芯片間互連應(yīng)用，展示了計(jì)算芯片、內(nèi)存和IO組件之間的不同類型連接。
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設(shè)計(jì)考慮和挑戰(zhàn)
通道優(yōu)化在實(shí)現(xiàn)最佳信號(hào)完整性和可布線性方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。設(shè)計(jì)人員必須平衡各種因素，包括介電層厚度、金屬間距、層厚度和過孔封裝規(guī)則。
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  M, I2 j6 F+ M6 L圖4：通道可布線性和信號(hào)完整性優(yōu)化，展示了中介層子部分設(shè)計(jì)和相應(yīng)的信號(hào)完整性測(cè)量。

# Z! R% G5 B# W" Q供電代表另一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)，尤其是在電流密度不斷增加的情況下�，F(xiàn)代解決方案包含多級(jí)去耦電容：
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$ ]' y  g3 }3 A圖5：供電網(wǎng)絡(luò)的去耦電容策略，展示了不同類型電容及其在系統(tǒng)中的布置。
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  K* d. D8 R3 W未來趨勢(shì)和發(fā)展
業(yè)界持續(xù)追求更高的帶寬密度和能源效率。技術(shù)制程縮放在實(shí)現(xiàn)這些改進(jìn)方面發(fā)揮核心作用。

5 t+ v/ o' h! H6 S3 T圖6：技術(shù)和帶寬縮放趨勢(shì)，展示了數(shù)據(jù)速率、凸點(diǎn)間距和制程節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系。

' H% ]) O" n1 }& V8 x4 O& n) J對(duì)于更大規(guī)模集成，晶圓級(jí)封裝變得越來越重要。這種方法允許超越傳統(tǒng)光罩尺寸限制的集成。
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圖7：晶圓級(jí)系統(tǒng)擴(kuò)展示意圖，展示了多個(gè)Chiplet和HBM內(nèi)存在晶圓級(jí)系統(tǒng)中的集成。

結(jié)論
高帶寬Chiplet互連是下一代計(jì)算系統(tǒng)的核心技術(shù)。通過仔細(xì)考慮封裝技術(shù)、互連架構(gòu)和設(shè)計(jì)優(yōu)化，這些系統(tǒng)能夠?yàn)橐�求�?yán)格的AI和ML應(yīng)用提供所需的性能。隨著行業(yè)不斷發(fā)展，供電、散熱和系統(tǒng)集成方面的新挑戰(zhàn)將推動(dòng)該領(lǐng)域的進(jìn)一步創(chuàng)新。
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參考文獻(xiàn)
/ `$ D- ^- G, `: @4 T6 j[1] S. Li, M. Lin, W. Chen and C. Tsai, "High-bandwidth Chiplet Interconnects for Advanced Packaging Technologies in AI/ML Applications: Challenges and Solutions," IEEE Open Journal of the Solid-State Circuits Society, 2024, doi: 10.1109/OJSSCS.2024.3506694
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* x; U* z$ t, C* G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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