何为多裸晶设计——为何越来越受欢迎？

一些新兴应用正在进一步推动半导体行业迅猛的发展，以实现大幅改进功耗、性能和面积(PPA)的目标。

事实上，网络系统和超大规模数据中心等电子设计必须借助新的芯片架构才能扩展摩尔定律的优势。多裸晶设计允许工程师在不影响制造可行性或项目预算的情况下将更多的功能封装到硅芯片中并提高良率。

多裸晶设计是由哪些元素构成的？有哪些方法可以应对多裸晶设计的挑战？在这篇博文中，我们将通过深入探讨多裸晶设计如何满足提高芯片密度的要求来回答这些问题。

更高的设计灵活性……和经济性

一直以来，芯片制造商都是通过转向更小的工艺节点来实现功耗/性能、功能、外形尺寸和成本目标。然而，因为需要不断提高处理能力，导致SoC的尺寸变得极大——无法在保证合理良率的前提下制造这些产品。这代表我们正式进入了无法仅凭转移到高级节点便可满足目标的阶段。随着裸晶尺寸接近制造设备的极限点位，将满足计算密集型应用所需的所有逻辑、IO和内存全部封装到一块物理芯片上变得不再经济实惠。因此，芯片设计人员将芯片设计拆分为多个尺寸更小、更容易制造、良率也更高的裸晶。

简言之，多裸晶设计是将大型设计拆分为多个通常被称为芯粒或晶片的小尺寸裸晶，并将其集成到单个封装中，以获得预期的功耗和外形尺寸目标。单片设计是将所有的功能封装到一个硅片上，而多裸晶方法则能够提供产品模块化和灵活性，允许通过混合封装不同的裸晶来满足不同的细分市场或需求。例如，面向低端、中端和高端等各级细分市场的终端产品均可受益于多裸晶方法。多裸晶设计在混用工艺节点方面也具有灵活性。例如，着重计算功能的处理器可位于高级节点上，而着重IO功能的处理器则可位于传统节点上，从而确保二者都能最高效地利用技术节点。

多裸晶设计架构可以采用不同的格式。裸晶可以并排放置，并通过专用die-to-die接口相连接，这是一种普遍且成本较低的方法。如想获得更高的密度，可以将这些组块封装在2.5D或3D设计中。集成了的GPU和高带宽内存(HBM)2.5D设计在中介层中封装了4到12个大型HBM，是这十年来的人工智能的主力军。随着时代的进步，2.5D设计目前正在设法进军5G基础设施、数据中心和大型网络系统等新终端市场。

全系统视角

多裸晶设计的各项功能与单片设计区别不大，但也有几处主要例外：

• 裸晶间的连接至关重要：它们必须节能、低延迟、提供高带宽，以在裸晶之间传输大量数据，并且必须实现无差错运行

• 无论是2D、高级5D还是3D系统分析，都必须考虑硅通孔(TSV)、介电通孔(TDV)、再分布层(RDL)、中介层和基板的耦合效应

除组件外，多裸晶设计的考虑角度也与单片设计相差迥异。当一个SoC被拆分为多个单独的模块时，设计人员必须更多地从系统的角度考虑性能和成本。由于多裸晶设计相对单片设计而言更加复杂，因此，在预先了解其热足迹、信号以及电源完整性、机械问题、布线注意事项和其他关键参数的情况下，对其进行协同设计非常重要。

不同的封装技术使得具有不同电机特性的裸晶间连接具有不同的布线密度。Die-to-die接口架构通过选定的封装技术进行优化处理后，可以帮助满足应用性能目标。例如，高速SerDes架构更适合2D和2.1D封装方法，而高带宽并行架构则能够更好地利用2.5D和3D封装的布线密度。

在预先了解热足迹、信号以及电源完整性、机械问题和布线注意事项的情况下，对多裸晶进行协同设计非常重要。

以连接裸晶所需的TSV为例，TSV会带来单片式SoC中不存在的，并与噪声、热串扰和间距规则相关的问题，因此，设计这些TSV时必须考虑到它们对整体设计的影响。尽早这样做有助于防止以后出现代价高昂的良率问题。

当信号在裸晶之间和整个封装中传输时，由于被拆分的裸晶已被重新集成到新的封装中，因此，这些信号可以通过die-to-die接口IP和高速串行链路进行传输。为了更好地了解系统性能和系统架构，设计人员需要借助适当的工具为其提供指导，以便通过在电源和信号完整性、热性能和噪声方面均有最佳表现的产品。

从超融合设计环境到低延迟连接

许多EDA和IP解决方案都可被用于多裸晶设计。

对于面向多裸晶集成的统一平台，新思科技提供了用于3D可视化、寻路、探索、设计、实施、验证和签收的单一超融合环境3DIC Compiler。3DIC Compiler构建在Synopsys Fusion Design Platform的通用、可扩展数据模型之上，支持数十亿个裸晶间互连，通过自动化功能减少迭代次数，并提供电源完整性以及热和噪声感知优化能力。

总结

为了处理越来越多的工作负载并提升数据移动速度，芯片设计人员开始将设计转向多裸晶体，这样一来，可以为高性能计算、人工智能和机器学习以及组网基础设施等炙手可热的应用提供更高的芯片密度。在不久的将来，会有越来越多的设计人员调整他们所熟悉的单片式芯片设计方法，以应对拆分芯片带来的新挑战。从系统级的角度看待设计，并从整体芯片、封装和IP的角度采用协同设计原则变得越发重要。对于在提高良率上有迫切要求的行业来说，多裸晶设计不乏是一种未来的趋势。

原文作者：新思科技解决方案部门高级产品营销经理Manuel Mota  &  新思科技数字设计部门产品营销总监Kenneth Larsen