Chiplet和异构集成到底是什么？

（原标题：Chiplet和异构集成到底是什么？）

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新技术催生新术语，但这些新方法的早期可能会令人困惑。

“chiplet”和“异构集成”这两个术语充斥着新闻版面、会议论文和营销演示文稿，大多数工程师都能理解他们所读到的内容。但演讲者有时会在演讲过程中结巴，试图弄清楚某个特定的芯片是否符合 chiplet 的条件，而异构集成对不同的人有不同的含义。这两个术语都缺乏公认的定义，无法帮助理解目前困扰这两个术语的细微差别。

对于一些行业专家来说，存在芯片间接口就意味着硅片可以称为 chiplet。当谈到异构集成时，分歧就大得多，在讨论中推论不同的标准时，一个人的定义可能会发生变化。今天，这种讨论可能显得迂腐，但从长远来看，清晰一致的定义可能会刺激这种新兴架构的发展。

什么是chiplet？

得益于异构集成的发展（稍后会详细介绍），chiplet如今已成为热门话题。将 SoC 分解为离散组件在某种程度上意义重大。但将多个芯片集成到单个封装中并非新鲜事。多芯片模块 (MCM) 多年来一直如此，主要用于不太受关注的非主流应用。

在 MCM 中，组成元件通常是以封装形式单独出售的芯片。如果没有定制实现，MCM 封装内的元件无需任何新特性。

那么，chiplet 是否只是我们多年来一直在做的事情的一个新名称？尽管在定义细节方面存在一些分歧，但没有人认为 chiplet 只是旧事物的一个新名称。大多数（但不是全部） chiplet 的关键特征是将一个芯片直接连接到另一个芯片的专用方式。Synopsys 高性能计算 IP 解决方案产品管理副总裁 Michael Posner 表示：“它需要某种程度的芯片到芯片接口。”

有人认为，只有具有标准化芯片间接口的硅才符合要求。“对我们来说，chiplet之所以是chiplet，唯一的标准就是芯片之间是否有标准化接口，”弗劳恩霍夫 IIS EAS 高效电子部门负责人、先进系统集成小组组长 Andy Heinig 说道。否则，组件就只是一个 MCM。

尽管新接口并非必需，但现有 MCM 已证明这一点，chiplet可提高性能和效率，而 MCM 中的芯片则无法做到这一点。“传统芯片设计为单独封装，然后必须能够自行驱动印刷电路板 (PCB) 线路，”Ansys 产品营销总监 Marc Swinnen 表示。 “因此，它在 I/O 上有大型驱动器来驱动这些外部线路。而芯片则旨在与中介层上的其他芯片配合使用。因此，它的接口速度更快、功耗更低，而且只能驱动几毫米的线路。这种芯片永远不能放在普通封装中，因为它没有足够的驱动强度来驱动普通线路。”

整个chiplet理念源于对先进节点成本的经济担忧，以及无法生产大于光罩尺寸的芯片。Promex 首席运营官 Dave Fromm 表示：“chiplet可以提高总体产量并降低成本，因为它们是使用更小、单个已知良好的芯片和适合每个芯片的制造技术组装而成的，而不是将所有功能集成在一个大型芯片级别，并使用最先进的制造节点来实现设备内最苛刻的功能。 ”

如今，许多公司采用专有方案来更高效地将数据从一个芯片移动到另一个芯片。对于许多人来说，这使得这些芯片有资格成为芯片。对于那些希望实现标准化的人来说，UCIe和Bunch of Wires (BoW) 增加了认可，并且已经开始被采用。

标准问题对于 Chiplet 的广泛概念至关重要，就像今天的 IP 一样。互操作性对于确保从不同来源购买的任何 Chiplet 都能很好地协同工作至关重要。对于一些人来说，这才是 Chiplet 的真正意义所在，这就是为什么他们认为标准化接口对于成为 Chiplet 是必不可少的。

主题的变化

Arm 对这种方法进行了稍微放松，它更注重分解而不是接口。Arm 架构产品管理总监 Mark Knight 说：“ Chiplet 是一种未封装的硅片，设计用于与其他芯片组组合和封装，并作为片上系统 (SoC) 的一部分运行。芯片组可以创建更大、更复杂的系统，这些系统可以作为单个组件封装和出售，并且每个 Chiplet 都针对特定功能或任务进行了优化。这样一来，就无需构建一个大型的单片芯片，否则可能会带来成本效益挑战并导致与产量相关的经济问题。”

芯片集市场的概念使事情变得复杂，而 Synopsys 正是基于此作出了区分。“因为‘芯片集’也被用来描述这个开放的芯片集市场，所以我们开始使用‘多芯片集’这个术语，因为它涵盖了所有市场和用例，”Posner 说。根据这个定义，只有为该开放市场设计的芯片才是芯片集。但他仍然认为，拥有芯片到芯片的接口是必要的。

另一种观点关注的是芯片在封装中的作用，而不是接口。如果它是独立的，那么它就不是芯片。“芯片是模块化的，”西门子 EDA中央工程解决方案总监 Pratyush Kamal 说。“设计用于执行特定功能的不同芯片组合在一个封装内的中介层上。”

但特定功能不一定是独立功能。“它要求芯片与其他功能一起封装，”Synopsys 的 Posner 表示。“这并不一定意味着芯片很小。我们看到光罩大小的芯片被封装在一起。”

根据这个定义，一组芯片必须放在一起考虑，不能单独考虑，才能发挥完整的功能。Kamal 说：“当你考虑启动、调试、测试、时钟或电源管理时，你必须把多个实体放在一起考虑。你不能孤立地看待它们。”

内部延迟必须是名义上的。“芯片到芯片的延迟必须是总延迟的一小部分，”他说。“只有这样你才能说它与另一个实体紧密耦合。”

尽管封装似乎是 chiplet 概念的重要组成部分，但即便如此，封装也并非普遍要求。Kamal 说：“业界倾向于将 chiplet 必须进行共同封装作为基本约束。我不一定同意这一点，因为在系统中，将两个 chiplet 直接安装在板上可能是经济的。”

什么是芯片？

与此讨论相关的是，我们应该如何称呼那一小块硅片。它是芯片还是 Chiplet ？由于每个封装中只有一个芯片，所以这从来都不是问题。现在多个组件被封装在一起，“芯片”是芯片还是封装单元？许多人将“芯片”分配给单个硅片，而“ Chiplet ”是封装单元，无论内容如何。

联华电子先进封装总监 Pax Wang 表示：“通常情况下，芯片是经过测试和封装的，可以直接发货并组装到设备中。然而， Chiplet 是指经过测试并封装到同一芯片中的不同功能芯片（或裸片）。”

图 1：芯片与小芯片。左侧展示了一种设备，其中有些人将“芯片”定义为可焊接到 PCB 上的封装产品。右侧展示了集成到同一封装中的一组组件，其中一些是小芯片。来源：UMC

这种区别不是出于技术考虑，而是为了方便——我们需要为这些东西起个名字。挑战在于，并不是每个人都能记住这些名字。它也与旧的多芯片模块术语相冲突，在旧术语中，“芯片”指的是芯片，因此即使在这里也很难做到清晰。

基于此，有些人更喜欢使用“dielet”而不是“chiplet”，因为我们所说的 chiplet 看起来不像封装电路的缩小版。“在为客户开发晶圆堆叠服务时，我认为在某些情况下‘dielet’可能比‘chiplet’更好，”Wang 说道。但“chiplet”听起来比“dielet”更好，所以目前，我们中任何不喜欢“chiplet”的人都只能使用这个名字。

模拟和光学使事情变得更加复杂

当封装中包含模拟芯片时，事情会变得更加复杂。标准化接口是数字的，适用于任何控制信号或数字数据转换为模拟或从模拟转换为模拟。模拟信号显然不会使用任何此类接口。如果模拟信号驱动或仅由外部信号驱动，则不需要任何特殊的内部接口。但是，如果模拟驱动另一个芯片，则该连接需要定制设计和定制验证。

因此，如果 Chiplet 的试金石是标准化接口的存在，那么只有当模拟芯片具有这些数字信号时，它才有资格成为 Chiplet 。如果这些信号提供的是控制而不是数据，那么它就不太可能需要标准化接口的带宽。是否仍然有必要采用该接口或更简单的接口将由架构师决定。

但事情就是从这里开始变得有点奇怪。如果人们认为标准化接口是不可侵犯的，那么一些模拟芯片可能不符合 Chiplet 标准。如果任何芯片到芯片接口无需标准即可符合标准，那么更多的模拟芯片将符合标准。

光子芯片也存在同样的潜在问题，不过现在担心可能还为时过早。纯光子芯片没有电气接口。那么它还能被视为光子芯片吗？

这就是这些定义遇到普遍考验的地方。如果必须满足某些标准（例如标准化接口）才能称为 Chiplet ，而有些芯片有，有些没有，这有什么区别吗？如果某个假设的模拟芯片没有数字信号，因此不符合芯片的资格，这是否意味着它不能集成到封装中？当然不是。所以，辩论这些定义有助于沟通，但严格遵守这些定义可能并不那么重要。

图 2：采访中总结的 chiplet 定义。最常见的 chiplet 定义需要 die-to-die 接口。其他定义则比较分散。来源：Semiconductor Engineering

异构集成更加混乱

异构集成也是一个新概念。“30 或 40 年来，我们一直采用单片设计，这具有巨大的优势，”Swinnen 说。“如果你有多个内核，并将它们全部放在一个 SoC 上，它们会更快、更小、更便宜，而且功耗更低。这种情况仍然存在。你可能无法做到这一点的唯一原因是芯片太大了。”

另一个因素就是先进节点的成本，以及如果无法增加价值就想避免这种成本。Tignis 营销副总裁 David Park 表示：“某些芯片（例如内存、CPU、GPU）如果不能‘跟上’，就不会受到重视，而这些芯片正是向前沿迁移的芯片。但其他芯片不需要迁移到较小的工艺节点。”

验证和处理考虑因素也发挥着重要作用。2.5D 集成如今备受关注，但 3D 集成可能会加剧集成问题。“当你尝试连接不同的 3D 组件时，集成挑战就会出现，” Lam Research全球半导体工艺和集成高级经理 Benjamin Vincent在一篇博客文章中指出。这些挑战可以激发“异构”区别。

尽管“chiplet”的定义很接近，但工程师对异构集成的看法却大相径庭。它们都考虑了封装中的多种事物，但将其定义为异构的“界限”却有所不同。“我认为对此没有非常明确的定义，”Wang 指出。这些界限逐渐升级，如下所示：

• 封装中有多件物品就足够了。只需两个相同的芯片即可。“异构集成通常是将具有不同功能的芯片封装在一起，”Posner 说。“但其中一部分也可能是计算扩展。有四个相同的芯片 仍然是异构集成。”

• 多个芯片必须不同。 “首先定义异构集成的反义词会更容易一些，”Knight 说。“由多个相同的 CPU 芯片组成的系统不是异构的。由不同类型的芯片组成的系统是异构系统。”Promex 也遵循类似的定义：“我们将异构集成定义为一种将各种组件（电子和非电子）组装成单个紧凑设备的方法，”Fromm 说。

• 不同的模具必须独立设计，而不是一个协调的项目。这些模具可能来自同一家公司，也可能不来自同一家公司。

• 封装必须包含多种工艺节点。 “我个人的定义是，如果两个芯片来自同一个节点，那就是同质集成，”Wang 说。“如果我们将 DRAM 连接到逻辑，它肯定会导致来自不同节点的晶圆，所以这是异构集成。”

• 封装必须包含先进和成熟节点的混合。Heinig表示：“我们可以将用于执行器或传感器的高压旧技术节点与 5nm 处理元件集成在一起。这就是我们在欧洲理解的异构集成。如果英特尔或 AMD 将 7nm 与 12nm 相结合，这对我们来说不是异构的，因为他们面临的问题并不相同。”

• 封装必须集成不同的材料。 “DARPA 专注于材料，”Kamal 说。“即使是像硅中介层和塑料基板这样基本的东西也是异质集成。”

• 混合节点或混合材料都符合条件。SEMI首席技术官兼技术社区副总裁 Melissa Grupen-Shemansky 表示：“早期，许多参与者认为异质集成是多芯片或小芯片解决方案中使用的不同硅节点。一些技术专家仍然将其视为来自不同节点的芯片的集成。但它也可以包括不同材料的芯片，如硅和锗，以及 GaN 和 InP 等复合半导体。”

有些考虑因素相对比较脆弱。例如，考虑到不同节点的要求，如果一个封装包含一个 22nm 芯片和一个 12nm 芯片，那么它就是异构的。如果在未来某个时候 22nm 芯片升级到 12nm，那么按照这个定义它就不再是异构的了。

这个定义有什么用呢？

那么“异构”的区别到底想表达什么呢？在这个例子中，组装过程实际上没有任何变化。只是更新了一个芯片。从异构变为同质是否能提供任何实质性的清晰度还不清楚。

王说：“即使它们共享相同的节点，但如果它们具有完全不同的功能、完全不同的设计理念和完全独立的路线图，我称之为异构集成。”

再次，模拟使事情变得复杂。“模拟不使用先进节点，”Swinnen 说。“5nm 工艺中出现的寄生效应太多，很难满足规格要求。”

对于异构区别的一种观点是，必须对整个封装进行一起模拟，才能确保产品的性能和产量符合要求。

Heinig 表示：“如果一个芯片上有 100 V 电压，你必须确保它不会耦合到你的 5nm 子系统中。这是一个多物理问题。我们看到的第二个问题是，如果你看看 BoW 和 UCIe，接口电压约为 0.7 或 0.8 V。这对于 7nm、10nm 或 22nm 非常有效，但如果你采用 65nm 或 90nm，你的电源电压为 3V 或 5V。那么，接口上的 0.8 V 就不起作用了，因为你没有达到成熟技术的阈值电压。”

随着材料的增加，必要的模拟也随之增加，因为多物理场模拟将确认热性能、可靠性、噪声、信号质量以及任何其他考虑因素，以确保产品坚固耐用。“你可能有一个跨多种技术的子系统，”Kamal 说。“你需要提取并模拟整个子系统，这就是我们需要强调异质性的原因。”

最终，IEEE 发布了异构集成路线图，它符合最宽松的定义：“异构集成是指将单独制造的组件集成到更高级别的组件中，从总体上提供增强的功能和改进的操作特性。”

图 3：SE 访谈中异构集成定义的总结。回应在标准中分布广泛。资料来源：半导体工程

所以谁在乎呢？

人们可以争论定义的微妙之处，但这种努力会有回报吗？通常，如果定义能提供有助于决策的信息，那么它就是有用的。对于 chiplet 来说，定义的价值取决于上下文。一家自己进行 SoC 分解的公司可以使用自己的命名法。

但是，如果出现了小芯片市场，互操作性取决于所购买的产品是否符合小芯片的条件。当然，如果有人在公开市场上销售“小芯片”——没有芯片间接口但其他方面可以正常工作——这真的是个问题吗？只要芯片有充分的文档记录，可能就不会有问题。

异构集成可能是另一回事。如今，每个人都在开发自己的先进封装流程，这些流程彼此不同，特别是因为这些公司试图区分他们的流程。此外，许多项目都是单独进行的，而不是从配方中获益。

但如果这些配方开始分成两个不同的层级——一个是同质的，一个是异质的——那么名称将决定配方。理想情况下，所有从事包装的公司都会同意相同的定义，这样规划人员就可以进行同类比较，而不必费力地寻找不同的定义。

显然，芯片行业还没有达到这个水平，所以目前讨论的最大价值在于，这是一个思考最合适定义的机会。幸运的是，随着实际影响的日益明显，这些思考将开始统一起来。

https://semiengineering.com/what-exactly-are-chiplets-and-heterogeneous-integration/

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