都是3D封装，飞在天上的芯片和地上的有什么不一样？

Ian Land, Kenneth Larsen, Rob Aitken

Feb 07, 2024 / 1 min read

Table of Contents

01. 为无人机/飞机等领域提供充足带宽和优越性能
02. 芯片设计研发机遇层出不穷
03. 总结

由于卫星和潜艇等系统通常需要在极端环境中运行，比如外太空和深海，因此航空航天等领域的芯片设计对尺寸、重量和功耗（SWaP）有着极其严苛的需求。单片SoC显然不能满足需求，因此航空航天等领域的芯片开发者正在探索3D异构集成（3DHI）设计。

在3DHI芯片设计中，异构裸片集成在多个层级中，裸片间既有垂直互连又有水平互连。开发者可通过3DHI架构将大型系统压缩到小型封装中，降低开发不同版本的成本，以满足应用多样性的要求，进而为相关应用领域带来更多针对性解决方案、更优异的功能密度特性和更理想的SWaP结果。

本文将详细介绍3DHI在航空航天领域中面临的挑战和机遇。

为无人机/飞机等领域提供充足带宽和优越性能

航空航天系统现在也越来越智能化了，通常具有需要高计算密度的自动化和认知处理等功能。以负责执行监控任务的无人机为例，此类处理过程必须在功耗和重量均有限的小尺寸设备中进行。随着摩尔定律逐渐放缓，支持这些应用的单片SoC在密度、可扩展性和良率等方面将会达到极限。

3DHI设计能够将不同制程和材料的裸片进行混合搭配，以满足各种不同的功能需求，并达到期望的功能密度和性能。为了节约成本，其实并非每个组件都需要采用先进制程，而且还可以考虑融入诸如氮化镓(GaN)或碳化硅(SiC)之类的特殊材料，与硅CMOS相结合。

3D封装不仅提供了出色的尺寸优势，还不牺牲带宽。相比于2D封装，3D封装兼具超短延迟和低功耗位传输等优势，而且能够使用更小的芯片来提高良率。另外，3DHI方案还支持针对不同的应用领域或设计方案实现高效复用，使设计团队能够轻松地将一个用于载人飞机的SoC设计复用到无人机设计中。

在航空航天等领域，3DHI设计的潜力尚未完全挖掘，仍有广阔的发展空间。为了实现这一设计理念在此类领域的广泛应用，我们必须不断突破技术难关，砥砺前行。接下来我们将深入剖析目前的技术现状，以及为满足批量生产的需求，我们应具备哪些条件。

芯片设计研发机遇层出不穷

航空航天等应用领域目前仍普遍采用单片集成的2D设计方法。但未来的趋势正在向3D设计转变，预计在10~20年内，3D设计将成为主流。随着复杂性和层数的增多，我们预计会出现分解式设计，这些设计将由采用多种工艺和材料类型的裸片组成，并通过密集型互连机制将裸片连接起来。未来的封装、组装和测试将根据系统与外界的通信方式和集成特点进行。

如何把大规模的3DHI设计应用到航空航天领域？从电子设计自动化（EDA）的角度，开发者们需要克服诸多问题，比如如何克服裸片层之间的交叉耦合效应采用何种连接方式最佳？如何开发出值得信赖的组件？如何连接不同制程节点、不同类型甚至不同尺寸的晶圆？如何为不同材料提供有效的散热解决方案等。

为了解决这些问题，一个值得考虑的方法是在3DHI组件中集成裸片测试和纠错功能。这样可以在系统出厂前主动发现并解决存在的问题，还能为未来的意外状况做好准备。

冗余和弹性同样重要。由于芯片器件通常都存在老化效应，系统中的一些裸片可能会随着时间的推移而逐渐磨损。为了防止整个系统出现故障，我们需要开发出能够在单个区域发生故障时进行调整的设计。只有这样，我们才能确保3DHI设计在航空航天等系统中的稳定性和可靠性。

封装从手动开发向自动开发的转变是一次升级。此外，多个领域都迎来众多研发机遇，包括Multi-Die、多技术集成和装配、用于搭建架构、设计、仿真和测试的工具，以及安全防护、热管理和电源管理等领域。这些领域都可以通过现代数字孪生技术进行建模。现在，我们亟需继续探索和开发抽象工具，从而帮助开发团队更深入地理解和处理系统的各个层次，做出更明智、更准确的决策。

总结

从雷达设备到飞机、航天器，这些航空航天系统和应用正变得越来越智能。为了满足对更大算力和更低SWaP的需求，开发者们必须在传统单片SoC的基础上进行创新。于是3DHI设计应运而生，满足了一系列应用（包括雷达）的核心需求，比如，通过将异构裸片集成在一个封装中实现高带宽和小巧外形。要应对3DHI架构带来的各种关键设计挑战，当前的工具流程和方法有着巨大的调整空间。通过持续研发投入，更强大的工具和技术将不断涌现。在未来十年左右，3DHI设计有望成为航空航天领域的主流技术。