芯片封装进阶之路：Multi-die系统级封装技术如何更好实现

芯片正在变得越来越复杂。开发者们一方面要应对摩尔定律趋近极限所带来的挑战，一方面要努力改进功耗、性能、面积（PPA），以及低延时目标。芯片开发者们始终坚持不断创新，从而应对SysMoore时代所面临的挑战。

Multi-die芯片系统被细分成多个功能电路模块，这些电路块被称为小裸片（small die）或者小芯片（chiplet）。这些小芯片通常采用不同的工艺节点制造，并被集成到单个封装中。它能够满足严苛的PPA目标，是值得开发者努力的方向。先进的芯片封装技术在创新过程中必将起到主要作用。
Multi-die系统级封装（SiP）具有以下优势：

• 可开发具有更多功能的产品
• 可通过更换裸片快速开发出多个SKU
• 可使用经过验证的裸片，减少开发风险
• 与使用两个独立的芯片相比，multi-die吞吐量更高，系统功耗更低
• 可优化系统外形尺寸，降低系统成本
• 与使用两个独立的芯片相比，裸片间的低延迟可以提高系统性能

封装行业有一系列技术可支持multi-die设计，例如：标准的2D封装、2.5D先进封装，以及3D堆叠裸片，但没有哪个封装技术是可以适合所有产品的。选择哪种封装方式将取决于产品的PPA和成本目标。

本文将简单介绍几种最新的多芯片模块（MCM）封装类型，并重点阐述die-to-die（D2D）IP如何通过这些封装来更好地支持设计流程。

四大先进芯片封装类型

下一波系统设计浪潮将以先进封装中的小芯片为主导。这些小芯片本质上也是集成电路，专门用来与其他裸片一起打造更大、更复杂的芯片，且可以被集成到先进的MCM封装中。小芯片通常由可重复使用的IP块组成。

不同的封装类型在组装、密度和复杂性方面各不相同。图1介绍了主要的封装类型以及它们在不同应用中的优势和劣势。

图1：主要的先进封装类型概览

有机衬底

有机衬底可以支持低密度的IO排布，D2D连接较少。这种2D类型的标准封装相对便宜，在半导体行业中使用广泛。与2.5D和3D封装不同，有机衬底封装并不存在脆弱的微凸块，并且由于工艺已十分成熟，所以往往良率更高。它具有可测试性功能（对已知合格裸片进行低成本晶圆级筛选），但无法对故障连接进行测试和修复。
此外，有机衬底还具有良好的散热性和低翘曲性，支持大规模SiP集成，且无掩模板限制。

重分布层（RDL）扇出

相对较新的RDL扇出型（Fan-Out）封装尚未得到广泛使用，其密度与硅中介层相似，但复杂性和成本却更低。扇出是一种先进封装类型，可以组装一个或多个裸片，从而为各种物联网、网络和计算应用带来更好的性能和更多的IO。RDL由铜金属连接线组成，将封装的一部分与另一部分进行电气连接。在RDL扇出型封装中，RDL可向内和向外布线，这使得封装更薄且能拥有更多的IO。

硅中介层

在硅中介层中，连接裸片的地方叫做中介层，用来连接两个裸片。这种2.5D型封装通过使用微凸块（一种堆叠裸片垂直互连技术）实现密集连接。由于这种封装类型的组装十分复杂，加上微凸块脆弱易损，因此存在较多的良率问题。封装厂商通过质保措施和D2D接口测试及修复机制解决了这个问题。硅中介层拥有数千条并行的线路，这些线路可用于测试连接性、确定是否存在中断，并且能够在需要时重新布线。例如，如果一个接口有1000条线路，那么在设计PHY时就要当作有1100条线路，提供10%的冗余，以便在发生故障时可以重新布线。但硅中介层很难为已知合格裸片筛选晶圆。此外，这种封装类型减少了热耗散，并且中介层的大小受限于掩模板的尺寸。

混合键合封装

作为一种3D堆叠封装技术，混合键合封装实现了最高的密度和电源效率。它提供用于连接的硅通孔（TSV），将两个晶圆粘合到一起并作为一个整体发挥作用，如此一来，驱动通道时就不会浪费功耗，并且可以根据需要降低每个IO的功耗。与中介层相比，混合键合技术对复杂性和成本提出了更高的要求。这种技术非常适用于需要大量计算能力和低延迟的AI训练引擎等应用。在混合键合封装中的处理器上堆叠内存，可以提供所需的性能并满足低延迟要求。

D2D连接：推动力

虽然先进封装方案让开发者能够按照SysMoore时代的需求扩展和发展他们的产品，但D2D连接也起到了推动作用。过去，开发者会先创建SoC，然后再操心封装问题。如今，他们必须采用协同开发的方法将系统、裸片和封装结合到一起，并确保它们都能按照预期协同工作。是什么将所有这些部分都连接到一起了呢？
答案是D2D接口。

D2D接口是一个很小的模块，支持封装两个或两个以上裸片之间的通信。这种接口需要针对每个特定封装类型的特点进行优化。例如，中介层不支持通道之间极高的速度，高速D2D接口IP则可以填补这一空白。同样地，有机衬底的通道特性更好，可支持更长的传输距离和更高的数据速率，因此可以选择接口IP。
D2D接口行业相对年轻，许多接口是以专有的方式进行开发，只锁定一个产品。使用标准可以确保您能够不断改进自己的产品，且无需担心互操作性问题或其他开发风险。
四个不同的联盟管理着整个封装生态系统的五个标准：

• OIF管理的XSR标准，数据速率为112G/224G，适用于光学网络的2D封装。
• CHIPS ALLIANCE管理的AIB标准，覆盖6G数据速率，适用于通常针对军事航空生态系统的桥接封装。
• UCIe数据速率为16G/32G，适用于2D、2.5D和桥接封装类型。UCIe面向通过PCIe和CXL进行流式传输和聚合的扩展和拆分用例。
• 开放计算项目负责BOW和OHBI标准，二者的数据速率为8G/16G，适用于2D和2.5D封装。BOW面向关注成本的聚合用例，而OHBI则面向数据中心高密度规模和拆分用例。

随着时间的推移，其中有些标准可能会因市场需求而变得不再那么重要。在所有这些标准中，UCIe有可能成为一个真正通用和全面的D2D接口标准。除了提供最引人注目的PPA指标，这项标准还涵盖了最广泛的用例和所有的multi-die芯片封装类型。UCIe是一个完整的协议栈，支持原始用户定义的流式传输、PCIe（非相干）和CXL（相干）。此外，UCIe还具有前瞻性，支持每个引脚高达32Gbps的数据速率。这项新兴规范赢得了横跨所有行业领域的广泛生态系统的支持，其中包括超大规模厂商、CPU供应商、代工厂、外包半导体组装和测试(OSAT)、IP供应商和聚合商。

多种基于标准的D2D接口组合

新思科技提供业界最广泛的D2D标准接口IP，为各类标准组织做出了贡献，并助力企业发挥不同封装类型的优势。新思科技D2D IP解决方案包括：

• 完整的112G XSR IP解决方案，包括多通道PHY和一个具有前向纠错和重放功能的D2D控制器，可提供可靠的网络运行中心（NOC）到NOC链接
• 完整的UCIe IP解决方案，包括带宽高达4Tbps的多模块PHY，可支持标准封装和先进封装
• 支持流式传输、CXL和PCIe协议的控制器，以及到CXS和AXI的桥接，实现NOC到NOC的无缝链接

Multi-die设计能够满足HPC和AI等计算密集型应用的可扩展解决方案的需求，即在不影响成本或良率的情况下提高性能。在SysMoore时代，系统和规模的日趋复杂推动着持续创新，先进芯片封装技术作为代表之一至关重要。