实现异构集成需要chiplet接口标准、新的EDA设计工具和IP复用

shuszhao

随着摩尔定律逐渐接近物理极限，最近几年异构集成(HI)的概念越来越受到学术研究人员、半导体公司甚至政府机构的关注。所谓异构集成，就是在同一个3D系统级封装(SiP)中，将不同工艺制造的硅和非硅器件集成到一个更高级别的系统。

随着摩尔定律逐渐接近物理极限，最近几年异构集成(HI)的概念越来越受到学术研究人员、半导体公司甚至政府机构的关注。所谓异构集成，就是在同一个3D系统级封装(SiP)中，将不同工艺制造的硅和非硅器件集成到一个更高级别的系统。自2016年以来，IEEE一直致力于制定一个基于这一理念的非竞争性技术路线规划图，以明确HI的长期愿景，并识别出潜在的挑战和解决方案。就发展趋势来看，HI似乎已经成为半导体行业延续摩尔定律的可行之路。有学者称，对于2D半导体来说，也许摩尔定律已经走到尽头，但通过异构集成来实现3D堆叠封装也许可以让摩尔定律重新焕发青春活力，继续引导半导体行业未来10-20年的快速发展。
台湾钰创科技创始人兼董事长卢超群博士一直是异构集成(HI)的积极推动者，他认为半导体行业不能沉迷于工艺尺寸的不断缩小来提高性能，而应该创新性地寻求“不同技术的异构集成"。在他的构想中，HI可不是同类集成的系统级芯片(SoC)、系统级封装(SiP)，也不是多芯片模块(MUM)，而是系统级设计、算法、软件，以及不同类型裸片的集成，包括SoC、DRAM、闪存、AD/DA转换器、电源管理器件、安全及可靠性控制裸片，甚至包括RF和MEMS器件。
自从2015年半导体行业协会(SIA)和IEEE共同发起异构集成线路图(HIR)计划以来，IEEE协会下属的多个组织及SEMI纷纷加入，通过在全球举办多场研讨会来宣传推广HI，直到现今业界基本达成共识，从而确定了HI的未来发展方向。
为了应对不断攀升的系统级芯片设计成本和满足小批量生产的需要，美国国防部下属的DARPA发起了通用异构集成和知识产权复用策略(CHIPS)计划，旨在通过政府资助的形式来鼓励学术研究和企业协作共同推动异构集成的发展，包括制定通用的接口标准、开发新的EDA设计工具，以及建立IP复用规范和良好的生态。

芯粒(chiplet)接口标准


伴随着异构集成而出现的第一个新概念就是"芯粒(chiplet)"，这些类似乐高积木一样的功能模块通过中介层(interposer)连接在一起，然后附着在封装基底上。

英特尔的Foveros封装技术就是采用这种思路，通过3D堆叠而实现逻辑模块累加逻辑模块的集成。Foveros将会在传统无源中介层之上扩展裸片堆叠模式，可以在CPU、图像处理器和AI加速器等高性能逻辑器件之上叠加存储器。这种技术可以将系统级芯片产品细分为微小的芯粒，其中I/O、SRAM和电源电路都可以在一个基础裸片上制造，然后在其上叠加高性能逻辑芯粒。
如下图所示，不同工艺节点的芯粒模块，比如28nm的DDR4、32nm的SER/DES和PCIe、22nm的USB 3.0、12nm的显示模块，以及10nm的DSP模块，甚至微机电器件MEMS，都可以通过中介层相互连接和通信。

但首先要确定统一的接口标准，这样各家的芯粒才能拿来直接拼装起来。经过讨论，英特尔的高级接口总线(AIB)被选为标准，英特尔也同意无偿奉献出来，作为芯粒通信的接口标准。

HI需要新的EDA工具


尽管像英特尔、Marvell和Imec等已经在chiplet的研发上取得了一些进展，但EDA工具仍是异构集成面临的最大挑战之一，比如如何实现自动系统划分和单元模块的3D堆放等。Cadence、Synopsys和Mentor等EDA公司都在研发SoC系统划分的工具。
得到DARPA CHIPS项目资助的Georgia Tech研究团队与Cadence一起开发新的EDA方案，目标是帮助CHIPS设计者开发出商业级的方案以满足功耗、性能和尺寸(PPA)要求，同时将人工参与度降至最低。其研究项目分三个阶段进行，第一阶段所开发的EDA工具将能够将单个的IP模块转换为芯粒，符合统一的接口标准。第二阶段的EDA工具将可以优化芯粒，并将多个芯粒集成到一个中介层(interposer)上，以构成完整的2.5D系统。到第三阶段，EDA工具将能够支持芯粒的升级和交换。
鉴于现有商业EDA工具已经具备一定的IP设计和验证功能，研发团队将Cadence Stratus高级综合工具、Innovus物理设计工具以及Allegro封装设计工具作为主要的基础引擎，不但要建立新的方法论来无缝集成现有的商业引擎、增强现有引擎和算法的功能，而且要开发新的引擎来处理2.5D芯粒集成和升级。
此外，要实现IP模块的低成本复用，不但需要业界统一的规范，而且要营造积极健康的生态环境。通过行业组织的全球性协作，政府机构积极推动，让高校研究机构、EDA和IP开发商，以及芯片公司共同参与和收益，这样才能带来异构集成的繁荣发展。

郑先生

  

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