當 2.5D 和 3D 封裝最初被構想出來時，普遍的共識是只有最大的半導體公司才能負擔得起，但開發成本很快就得到了控制。在某些情況下，這些先進的封裝實際上可能是成本最低的選擇。

對于堆疊芯片 ，每個芯片都被視為一個完整的功能塊或子系統。將來，這將包括小芯片。當今最著名的示例是高帶寬存儲器 (HBM)，但還有許多其他示例，其中系統公司將系統分解為多個芯片。在本文中，我們討論的堆疊芯片可能是存儲器上的邏輯或邏輯上的邏輯，但不包括使用垂直堆疊晶體管構建的設計，或單個功能折疊在多個芯片上的設計。

3D-IC的早期采用很大程度上是基于必要性。“單個整體芯片已經達到了其掩模版極限，” Siemens Digital Industries Software的 Tessent 產品經理 Vidya Neerkundar 說道。“如果有人可以將所有功能集成到一個芯片中，他們仍然會嘗試實現這一目標。但技術的發展以及您需要適應的所有功能意味著這變得越來越困難。自然級數是 2.5D 和 3D。

過去十年來，業界一直在使用多芯片模塊(MCM)，他們使用基板連接從一個芯片轉移到另一個芯片。如果您有少量信號需要在芯片之間傳輸，那么這很好。但是，當您需要與一堆其他芯片進行通信時，就需要中介層而不僅僅是基板。他們可以將芯片分成更小的部分，并且可以通過中介層進行通信。中介層可以是有機的，也可以是硅的，這僅取決于芯片設計的應用。”

事實證明，這對許多公司有利。“AMD 就是一個很好的例子，” Ansys產品營銷總監 Marc Swinnen 說道。“他們從設計的芯片化中獲得的主要好處之一是靈活性。你曾經設計過16核芯片，后來又設計了64核芯片。它們是來自不同團隊的單獨設計。現在他們只是將 CPU 核心設計為小芯片，然后將 16 或 32 個它們放在中介層上。只是中介層發生了變化，但小芯片保持不變。這為他們提供了很大的靈活性，可以開發出所有使用相同基本構建模塊的衍生產品，因此靈活性才是他們真正看重的。”

隨著時間的推移，這也可以節省成本。“假設您有一個不需要重新定位到 5nm 的模塊，或者無法從中受益的內存，”西門子 EDA 營銷和業務開發高級總監 Isadore Katz 表示。“它已經完成了 7 納米所需的一切，所以就留在那里吧。在許多情況下，您可以保留中介層原樣，只需重新連接新的東西即可。這將降低引入更好的節點或流程的成本。當您在特定工藝節點迭代一系列零件時，它還應該為您帶來一定程度的免疫力。”

其中一些成本節約不太明顯。“您還必須根據上市速度來衡量成本，”西門子的 Neerkundar 說。“如果你在游戲中起步較晚，那么你就失去了先于其他人將你的產品推向市場的優勢。”

正確評估總成本可能很困難。“盡管還有更多工作要做，但仍具有成本優勢，”Synopsys EDA 集團產品管理總監 Kenneth Larsen表示。“業界一直致力于通過片上通信將盡可能多的東西放入單個芯片中，從而使距離非常短。但當分解時，我們實際上走的是另一條路。我們正在芯片外進行通信。您必須確保不會失去過去在性能方面所獲得的優勢。”

額外成本

公司第一次嘗試 3D 設計時，會產生一些額外成本和組織挑戰。“雖然在班加羅爾的某個地方有一個封裝團隊，在海法有一個設計團隊，在奧斯汀有一個頂級架構團隊，但現在這些人必須聚集在一起進行 3D-IC 組裝，”Ansys 的 Swinnen 說。“您需要將專業知識整合到同一個團隊中。熱力就是一個很好的例子。過去，你在某個地方的封裝組里有一個關注熱的工程師。現在，每個設計小組都需要有一個熱人員，否則他們必須在這些小組之間進行復用。組織進行了調整，這可能會增加成本。”

還需要新的工具和技能。“您需要一個機械工具來分析 3D 堆棧中的剪切應力，”Swinnen 說。“你需要一個熱工具。您需要一個 3D 電磁工具來分析中介層上的長走線。這些都會增加成本，即使對于數字化人員來說也是如此。芯片設計中一直存在 EM，但它是為 RF 人員設計的，而不是為普通芯片設計人員設計的。總是有熱量，但包裝團隊的人負責檢查以確保一切正常。現在所有這些工具都已成為主流流程的一部分。”

中介層需要芯片和 PCB 類型技能。“必須有人設計中介層，”他說。“它看起來像一個巨大的芯片，但它的速度非常高，芯片的傳輸距離很長，至少有幾毫米。這變成了一個 EM 問題。即使您不是射頻設計師，也必須像具有完全電磁耦合的高速電路一樣分析高速信號。有些人嘗試從 PCB 方面著手，但他們沒有能力處理中介層上的數萬根電線。”

此外，還有一些新條件您必須注意。“如果您著眼長遠，可能會重復使用小芯片，則必須考慮不同的邊界條件，”Synopsys 的 Larsen 說道。“也許你在芯片頂部放置了一些東西，或者你可能在堅硬的中介層上放置了一些非常靠近芯片本身的東西。也許它是硅，會產生應力——不僅是熱引起的應力，還有在制造和使用產品時產生的機械應力。有很多新領域和有趣的問題。對于熱能，您不必是火箭科學家也會想到，如果您有一些很熱的東西，并且將它貼在其他很熱的東西旁邊，則需要對其進行管理，以確保它在產品的使用壽命內發揮作用”。

但這也不全是壞消息。“由于分而治之，測試成本將會降低，”西門子的 Neerkundar 說。“現在您不再是使用單個大的整體芯片，而是將其分解成更小的碎片，形成小芯片或芯片。您可以并行執行以前無法執行的操作。并行性將縮短您的上市時間，提高結果質量，因此您可以專注于如何通過并行工作來更有效地改進這一點。隨著時間的推移，隨著標準的發揮作用，這會變得更好。IEEE 1838 等標準描述了如何在堆棧之間進行通信，它們還包括一個靈活的并行端口，您可以通過它與它們進行通信。它是你在 2D 中按層次結構所做的事情的延伸。”

以不同的方式思考

采用的某些方面需要改變思維過程或方法。商業小芯片將作為黑盒出售，但如果它們是從不同的供應商購買或在不同的代工廠生產的，這些小芯片的特性可能會有所不同。此外，商業小芯片預計可在各種應用和用例中工作，收集和分析所有相關數據需要時間。

尤其是架構，必須考慮基本水平的不確定性。Arteris解決方案和業務開發副總裁 Frank Schirrmeister 表示：“如果行業采用跨小芯片分層設計的超級 NoC，則尤其如此，這意味著自上而下的設計。” “這一步驟類似于共同設計需要協同工作的各種小芯片，主要用于高度復雜的基于小芯片的結構，較少用于第三方小芯片市場的生態系統。從自上而下的角度來看，chiplet 生態系統的參與者需要對未來進行規劃，就像今天的 IP 參與者一樣，以了解 Chiplet 設計的最終應用程序所規定的要求。”

當您不完全了解邊界條件時，您可能必須進行過度設計才能使其可重用。“對于那些正在構建小芯片并在自己的公司內重復使用它們而不是向外部出售小芯片 IP 的大公司來說，這可能更容易管理，”Larsen說。“但如果你想象在未來你可以購買裸芯片，將超細間距作為小芯片集成到你的系統中，那么事情就必須以不同的方式設計，就像 IP 設計一樣。”

這也對驗證有直接影響。“使用更小的芯片，驗證變得更具成本效益，”Arteris 的 Schirrmeister 說道。“但是當將小芯片組合在一起時，它確實會有更多變化。全芯片仿真變成了一種不同的動物，您必須正確進行分層拆分以支持子系統驗證和分層開發。如果所有分析都是正確的，那么與小芯片獲得的價值相比，成本應該更有效，因為在這些較小的實體中，驗證工作和實施工作受到更多限制。”

接口也成為一個重要的討論。“你們是否有某種用于垂直通信的協議，例如 Bunch of Wires (BoW)？” Larsen問道。“你的選擇取決于設計，并涉及如何處理時序等問題。一些公司寧愿沒有太多的 PHY 和協議開銷，因為如果您使用混合綁定，它實際上是一個緩沖區。如果您有數萬或數十萬個連接，我不確定您是否需要這些信號的協議開銷。也許你會有一些計時協議。”

其他人正在研究更重要的協議。“一些公司正在尋求 UCIe 標準，”Neerkundar 說。“還有其他標準正處于工作組階段，試圖決定如何進行測試或維修。業界正試圖通過制定標準來減輕系統層面的負擔，讓每個設計者或團隊都能夠遵守標準，然后系統層面的組裝變得更加方便。”

這些連接組件必須經過驗證，并且可能是從 IP 公司購買的。Schirrmeister 表示：“連接需要得到確認，在真正開放的生態系統中，雙方的 NoC 協議需要反映相同的功能。” “用戶可能會說，‘我需要讀取數據分塊。’ 我的控制器如何支持它？兩個小芯片在 AXI 實現中都具有該功能嗎？最終，業界可能會看到 UCIe 插頭盛宴，就像 PCIe 那樣。他們只會更多地參與其中，因為本身沒有插頭。在專有環境中，當設計團隊擁有連接的兩端時，他們可以協商并調整適合其設計的支持。”

今天可能要花更多錢。“好處在于制造方面、良率方面，但設計方面會受到打擊，因為它更復雜，”Swinnen 說。“如果你看看當今市場上誰在使用這種技術，誰在制造復雜的 3D-IC，你會發現只有真正的大公司——IBM、AMD 和 NVIDIA。許多主流仍然只是嘗試。他們正在做一些基本的 2.5D，但速度很慢，因為他們必須增強他們的工具以及他們在組織中的專業知識。”

自動化會有所幫助。“如果我們想充分利用 3D 系統，我們需要提供自動化，”Larsen 說。“幾年來，所有手動完成的封裝步驟都將實現自動化。這是相當新的，因為自電子技術誕生以來，這些層并沒有享受到太多的自動化。”

結論

對于一些公司來說，由于設計尺寸或可制造性問題，分解已變得必要。但它也可以用于商業優勢，快速、廉價地創建多種產品變體。隨著時間的推移，不同技術的異構集成將會帶來額外的好處。

HBM 已經表明，第三方小芯片存在一個可行的市場，這使得許多問題得以解決并開發出合適的方法。問題是有多少其他函數可以成功效仿這個例子？

雖然如今的開發成本較高，但有大量證據表明這些成本正在迅速下降，而利用小芯片的 3D-IC 很可能最終成為一種成本更低的解決方案。但對于許多人來說，創建單個骰子仍然是他們選擇遵循的道路。

審核編輯：黃飛