Chiplet封装技术的应用现状

杰哥-IC男奋斗史

这是IC男奋斗史的第39篇原创

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接上文：Chiplet解决芯片技术发展瓶颈
Chiplet封装的产品介绍
以下介绍几款国内外使用Chiplet封装技术的代表产品，包括CPU、GPU和ASIC芯片。
1. 苹果M1-Ultra CPU：
2022年3月9日，苹果推出自研的M1-Ultra处理器芯片，通过UltraFusion架构将两个M1 Max芯片拼在一起，使芯片的各项硬件指标翻倍，性能也得到大幅提升。
2. AMD RX 7000系列GPU：
2022年11月4日，AMD发布新一代旗舰GPU RX 7000系列，采用新一代RDNA 3架构，首批发布的两款型号为RX 7900 XTX和RX 7900 XT。RDNA 3架构采用Chiplet设计，相比于上一代每瓦性能可以提升50%；内置AI加速单元，性能提升了2.7倍。
3. 寒武纪思远370系列ASIC：
2021年11月3日，寒武纪发布第三代云端AI芯片思元370，基于7nm工艺打造，是寒武纪首款采用chiplet技术的AI芯片；思元370集成了390亿个晶体管，最大算力256TOPS，是寒武纪第二代产品思元270算力的2倍。
4. 壁仞科技BR100系列GPU：
2022年8月9日，壁仞科技发布首款通用GPU芯片BR100，采用7nm工艺，集成770亿晶体管，使用Chiplet与CoWoS 2.5D封装技术。BR100算力达到1000T以上、8位定点算力达到2000T以上，单芯片峰值算力达到960PFLOPS，FP32算力超越英伟达在售旗舰GPU。
Chiplet封装技术面临的挑战
1. 芯片设计和验证工具的更新：
Chiplet对上游的设计和验证提出了新的要求，由于Chiplet芯粒间的堆叠和互联，在进行设计时不仅要考虑不同的制程工艺、不同架构的芯粒进行集成，还要加入高速互联总线和各类接口等；相比于传统直接设计复杂的大芯片，Chiplet技术对于EDA软件的要求明显不同；目前全球前三大EDA软件厂商已经在布局对应的平台。
2. 先进封装技术升级：
传统封装一般通过线路焊接的方式进行，Chiplet为保证芯粒之间更快的互联速度，会采用2.5D/3D等无需线路焊接的先进封装方式；从2D、2.5D到3D，可以形象理解为平面上建高楼，楼建的越高，住的人也越多，能装下的晶体管也更多；目前先进封装技术发展较为成熟，已经具备了实现Chiplet的条件。
3. 互联协议标准统一：
各大芯片公司在芯粒接口的互联协议上各自为战，每家公司选择不同的技术线路和标准，往往是基于公司过往的技术积累，并不能通用；碎片化定制化的接口标准对于Chiplet行业发展极为不利；为了解决这一难题，2022年3月2日，英特尔、AMD、台积电、微软、ARM等十大行业巨头宣布成立UCIe联盟；UCIe联盟的成立为Chiplet技术的发展奠定了最关键的基础条件。
支持Chiplet的底层封装技术
1 MCM (Multi-Chip Module)
MCM一般是指通过Substrate (封装基板) 走线将多个芯片互联的技术。通常来说走线的距离和范围可以在10mm~25mm，线距线宽大约10mm量级，单条走线带宽大约10Gbit/s量级。由于MCM可以通过基板直接连接各个芯片，通常封装的成本会相对较低。但是由于走线的线距线宽比较大，封装密度相对较低，接口速率相对较低，延时相对较大。

图2 MCM封装结构示意图

2 CoWoS (Chip-on-Wafer-on-Substrate)
CoWoS是TSMC主导的，基于interposer (中间介质层) 实现的2.5D封装技术。其中interposer采用成熟制程的芯片制造工艺，可以提供相比MCM更高密度和更大速率的接口。目前TSMC主流的CoWoS技术包括CoWoS-S、 CoWoS-R以及CoWoS-L三种。
2.1 CoWoS-S封装技术
CoWoS-S是基础的CoWoS技术，可以支持超高集成密度，提供不超过两倍掩膜版尺寸的interposer层，通常用于集成HBM (High Bandwidth Memory) 等高速高带宽内存芯片。

图3 CoWoS-S封装结构示意图

2.2 CoWoS-R封装技术
基于前述CoWoS-S技术，引入InFO技术中的RDL (Redistribution Layer)，RDL中介层由聚合物和铜迹线组成，具有相对机械柔韧性，而这种灵活性增强了封装连接的可靠性，并允许新封装可以扩大其尺寸以满足更复杂的功能需求，从而有效支持多个Chiplet之间进行高速可靠互联。

图4 CoWoS-R封装结构示意图

2.3 CoWoS-L封装技术
在上述CoWoS-S和InFO技术的基础上，引入LSI (Local Silicon Interconnect) 技术，LSI芯片在每个产品中可以具有多种连接架构 (例如SoC到SoC、SoC到小芯片、SoC到HBM 等)，也可以重复用于多个产品，提供更灵活和可复用的多芯片互联架构。

图5 CoWoS-L封装结构示意图

相比于MCM，CoWoS技术可以提供更高的互联带宽和更低的互联延时，从而获得更高的性能；同时受限于interposer的尺寸 (通常为2倍掩膜版最大尺寸)，可以提供的封装密度上限相对比较有限，并且由于interposer的引入，需要付出额外的制造成本和更高的技术复杂度，以及随之而来的整体良率的降低。
3 EMIB (Embedded Multi-die Interconnect Bridge)
EMIB是Intel主导的2.5D封装技术，使用多个嵌入式桥接芯片(Silicon Bridge) 实现芯粒间的高速互联；这些桥接芯片包含多个路由层，同时内嵌至封装基板，达到高效和高密度的封装。由于不再使用interposer作为中间介质，可以去掉原有连接至interposer所需要的TSVs，以及由于interposer尺寸所带来的封装尺寸的限制，可以获得更好的灵活性和更高的集成度。
总体而言，相比于前述介绍的MCM、CoWoS、InFO/LSI等技术，EMIB技术要更为优雅和经济高效，而且能够获得更高的集成度和制造良率。但是EMIB需要封装工艺配合桥接芯片，技术门槛和复杂度都比较高。

图6 EMIB封装结构示意图

全文完。
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