整個半導體生態系統開始著手解決一長串技術和業務變化，這些變化將需要繼續超越摩爾定律，使芯片的異構組合更容易、更便宜和更可預測。

混合各種die并以模塊化方式將它們組合在一起有許多好處。從設計的角度來看，這種方法提供了最廣泛的可用 IP 選擇，以及為特定應用提供最佳 IP、使用最佳工藝技術開發且價格合適的能力。它還可以利用 OSAT 進行組裝和測試，而不是僅僅依賴代工廠，從而為供應商的廣泛選擇和不同的封裝選項打開了大門。

這種多芯片或多芯片設計方法還有其他不太明顯的影響。西門子 EDA的 DRC 產品管理總監 John Ferguson 表示，一方面，它可能會加劇代工廠之間的競爭，從而導致芯片組成本更低。

此外，它還允許政府和公司在競爭激烈的市場中利用多個代工廠。這是否會提高或降低安全性可能取決于各種組件的來源，但它確實確保沒有代工廠能夠完全訪問最終設計及其所有 IP。

“HBM 可能來自三星，然后你正在設計你的處理器，這對代工廠來說將是一個更大的挑戰，” Cadence定制 IC 和 PCB 事業部產品管理組總監 John Park 說。“三星是否與臺積電共享完整的晶圓級設計?OSAT 一直在這樣做。OSAT 長期以來一直集成來自多個不同供應商的多個裸片，因為它們不被視為代工競爭對手。這可能會開始改變，因為現在所有的 OSAT 都在提供所有這些方面的特色。它有可能成為一個巨大的生態系統。”

這將對整個供應鏈的關系產生重大影響。“誰將與誰分享他們的晶圓?你必須展示整個晶圓，因為無論誰要構建中介層，他們都會進行組裝，”Park 說。“例如，一個 OSAT 會得到一個晶圓，然后他們會對它進行碰撞和切割。同樣的事情也適用于這里。現在我們開始討論芯片優先與芯片后的問題，或者是否將中介層安裝到封裝上。最可靠的方法是獨立構建中介層，先將其安裝到 BGA，然后將裸片連接到其上。代工廠現在都與 OSAT 有著非常非常緊密的關系，因為他們擁有生態系統，而且歸根結底，一切都在一個封裝上。您可以進行所有想要的高級集成。

這也從根本上改變了衍生芯片的方程式。Siemens EDA 的高級 IC 封裝技術專家 Kevin Rinebold 表示，在中介層設計中混合芯片還可以重復使用以前設計的芯片，以聚合到多個設計組件中。

因此，現在的重點轉移到創建系統并針對性能、功率和成本進行優化的最佳方式。但它也提出了設計團隊需要解決的問題，據Synopsys產品營銷總監 Kenneth Larsen 說。其中：

如何分解設計以利用不同的技術節點?

不同種類的技術是如何混合的?

如何處理數十或數百個chiplet?

如何將設計擴展到芯片之間潛在的數十億個連接?

HBM 和 HBI 如何連接?

如何路由信號以確保這些信號的完整性?

ECO是如何完成的，如果有影響PCB的變化，如何處理?

如何進行分析?

“所有這些都聯系在一起，”拉森說。“有微凸塊、TSV、microTSV，還有HBM、HBI等接口。die之間的相互聯系也必須得到照顧。”

除了好處之外，還有許多其他方面需要牢記。“對于單一供應商，如果出現問題，您可以通過一個點來追蹤根本原因，”西門子 EDA 的弗格森說。“通過分解，你要么必須自己做，要么必須在整個生態系統中瀏覽信息和相互指責。它還可能導致裝配商的更多開銷，例如需要通用和/或兼容裝配規則的供應鏈和裝配規則。”

此外，整個供應鏈的職責可能會發生重大調整。“很長一段時間以來，我們一直擁有一個芯片團隊和一個封裝團隊，”Larsen 說。“這是兩個不同的組織一起工作。但是，當您進入這些進行大量集成的系統時，團隊之間的接觸點數量會急劇增加。組織模式可能是未來幾年將發生變化的事情之一。我不知道它是否會成為一個負責解決方案性能的團隊，一個構建這種系統的團隊，或者它是否會繼續成為兩個獨立的團隊。通過擁有所有這些芯片和技術，并一起優化它們，我懷疑這將成為 IC 挑戰，而不是集成挑戰。

責任和義務是chiplet領域的主要問題。“從商業角度來看，你如何處理設計不同方面的所有權?” Synopsys 的高級產品營銷經理 Manuel Mota 問道。“這是一個正在發生很大變化的領域，絕對是chiplet和多芯片市場需要解決的問題。”

事實上，非技術業務問題可能比技術本身更重要。在很大程度上，許多技術問題已經得到解決。英特爾、AMD 和 Marvell 均已成功部署chiplet戰略。但是商業的、現成的chiplet更困難，部分原因是需要更好地表征現成的集成，部分是因為對于這些部分應該如何組合在一起以及誰負責不同的問題存在不同的意見。這些設計中的元素。

“在今天的組織模型中，有系統設計師、SoC 前端設計師、SoC 布局布線工程師、功率熱噪聲工程師、簽核團隊、DFT、封裝、PCB 團隊，所有這些團隊都有走到一起，”拉森說。“從來沒有一個地方可以將整個系統視為一個整體。許多人一直在使用 PowerPoint 和 Excel 繪制草圖，然后創建自己的流程以將事物組合在一起。也許它現在有效，但它會被打破。它太昂貴了，不僅在構建流程方面，而且在流程中的人為參與。您不能使用您的明星工程師來維持流程。他們需要設計下一代芯片。”

在構建這些大型 SoC 的不同組和不同團隊之間有一種通用的溝通方式至關重要。“這關系到整個行業，”莫塔說。“如果您是在一家公司中從 3D-IC 構建這種多芯片 SoC，那么它最終是您需要定義的內部流程。但是，如果您從其他公司或從不同工藝的代工廠等處購買其中的一些die，那么您收到的任何東西都需要集成到此設計流程中。您需要提供一套一致的附屬品，使您能夠在進行全面驗證時將其插入一致的設計流程中，而這仍然需要不斷發展。”

技術方面的一大挑戰是如何使用一種或多種標準化互連方案集成所有這些不同的chiplet。

Anthony Mastroianni 說：“由于用于不同芯片/chiplet的不同 DFT 工具之間的互操作性，需要在 PHY 中實現不同供應商芯片/chiplet之間的裸片到裸片接口的互操作性，以及更復雜的整體封裝組裝測試。” , Siemens EDA 的高級 IC 封裝解決方案架構師。

這也包括適當的抵押品。但是在過去的五年中，在開發適用于來自不同代工廠的不同技術的數據結構方面取得了進展。

“通常，IC 工具在單個芯片、單個技術文件、單個規則上工作，”Larsen 指出。“我們看到需要擴展此數據框架以混合和匹配技術——例如，如果您使用您最喜歡的代工廠的 3nm 和另一家公司的中介層技術。假設您最終使用三種不同的技術在中介層上使用了兩個芯片。您如何將其引入并視為一個整體?”

每個 die/dielet/tile/chiplet 的一些附屬品可以作為技術文件引入。但是有一個地方將這兩種不同的東西結合在一起，它們必須掛在一起。對于技術文件中沒有規定的空間，如何與其他供應商集成?

“我們已經與一些代工廠和一些集成公司合作，以找出一種在芯片之間交換信息的方法，”拉森說。“這不是 IP 協議。這真的是，'你將你的設計發送給你的 OSAT。您在組裝時有什么樣的制造要求?當你進入這條路或那條路時，你應該預先檢查什么樣的設計規則?你需要多少進入系統的東西才能制造并實現高可靠性和產量?業界正在醞釀一些新事物，以支持將兩個芯片與您的代工廠或 OSAT 放在一起的概念。”

中介層的高成本

一些先進封裝的限制因素之一是中介層的成本。“如果您要設計超大容量產品，您需要外形尺寸和所獲得的性能，因此您會花掉額外的錢，”Park 說。“然而，更多的人會選擇沒有 TSV 的有機薄膜。這是一個類似板的工藝，而不是像硅中介層那樣精細的間距。硅中介層為1μm線，空間更小。插入器需要警惕的是有很多不同的類型。”

直到 2010 年左右，封裝主要是為了縮小或封裝 PCB。“這些工具、各種層壓板樣式或其他類型的基板都類似于 PCB，”他說。“然后在 2011 年，隨著賽靈思插入器的推出，改變了世界。我們收到了更多的 IC 要求，這很有趣。一直有來自 PCB 方面的要求和技術，但現在隨著代工廠進入這一業務，需要來自芯片領域的更多投入以及方法和技術。設計數字芯片與設計多芯片模塊、系統和封裝是不分晝夜的。我們為一個人使用的工具對另一個人不起作用。”

也就是說，需要在工具方面進行更多創新才能將這些世界結合在一起，并克服令人難以置信的高昂設計成本。

整個生態系統的問題

隨著工具和制造生態系統的不斷變化，是否會產生廣泛的漣漪效應?OSAT 是否有可能分擔更多份額?或者代工廠會繼續在封裝和組裝方面增加新的服務嗎?如果英特爾是該行業的領頭羊，那么其他半導體公司可能會重組并回歸 IDM 模式。

“雖然英特爾可以用自己的晶圓廠做所有事情，包括封裝，但其他人不太可能在短期內效仿，”帕克說。“相反，代工廠與 OSAT 建立了友好的合作伙伴關系。他們意識到他們需要彼此來完成設計。過去，當代工廠開始涉足這項業務時，他們看起來像是要消滅 OSAT，但后來他們建立了合作伙伴關系。排名第一和排名第二的代工廠現在在技術會議的演講中展示了與所有各種 OSAT 的合作伙伴關系。當然，也有一次性的，比如英特爾，它是一站式商店。但這是chiplet問題。我們有這些chiplet，也沒有人愿意分享這些。如果您是 AMD 或 Intel，您可以構建您的chiplet，并將其用于您正在組裝的 die-to-die 封裝，但他們不太可能與公眾共享該chiplet。這就是chiplet生態系統的障礙。可能要到 2025 年我們才能弄清楚，所以我可以去目錄訂購現成的chiplet，添加我的‘特殊醬汁’，然后構建它。這就是 DARPA 的 CHIPS 的愿景。我們仍在努力。”

關于我們

《半導體芯科技》中國版(SiSC)是全球知名權威雜志Silicon Semiconductor的“姐妹”雜志，由香港雅時國際商訊出版，報道最新半導體產業新聞、深度分析和權威評論。為中國半導體行業提供全方位的商業、技術和產品信息。《半導體芯科技》內容覆蓋半導體制造、先進封裝、晶片生產、集成電路、MEMS、平板顯示器等。雜志服務于中國半導體產業，從IC設計、制造、封裝到應用等方面。

審核編輯：湯梓紅