深度解读2.5D/3D及Chiplet封装技术和意义
芯片整合已演进至2.5d/3d及chiplet封装：
从后摩尔时代创新的方式看，主要围绕新封装、新材料和新架构三方面展开，芯粒（chiplet）是在2015年marvell创始人之一周秀文(sehat sutardja)博士曾提出mochi(modular chip，模块化芯片)架构的概念，这是芯粒最早的雏形。产业开始思考将不同工艺的模块化芯片，像拼接乐高积木一样用封装技术整合在一起，在提升性能的同时实现低成本和高良率，这就是芯粒。
chiplet 模式兼具设计弹性、成本节省、加速上市等优势，已被公认为后摩尔时代半导体产业的最优解集之一，在产业链上下游企业的共同推进下，chiplet已经加速进入商业应用，应用领域包括新一代移动通信、高性能计算、自动驾驶以及物联网等。
chiplet主要帮助半导体解决了先进制程带来的几项痛点，包括:
（1）提高制造良率:来自hpc、al的庞大运算需求，除了带动对逻辑晶片内的运算核心数量需求上升，连带晶片组内相应的快取记忆体、|/o元件数目与体积也大幅增加，进而加大晶片面积。这样的放大除增加制造难度外，由缺陷密度带来的良识别风险。透过chiplet设计，将超大型晶片切割成各独立小晶片，可有效改善良率。
（2）降低设计的成本:随着制程不断微缩，单一ic的设计成本近乎成倍数提升，在chiplet的架构 下，将原先soc重构为多颗小晶片后，部分小晶片可做到类模组化设计并重复运用在不同的产品线中。此外，在设计新产品时，晶片组中部分元件可直接延用前一代电路设计甚至采用其他业者的小晶片模组，好将资金与心力集中投注在关键小晶片的设计迭代。
（3）降低制造的成本:系统单晶片内的部分电路如快取记忆体、1/0元件、处理类比/溷合讯号的元件等由于性能要求较低，并不需使用到最先进的制程工艺。因此透过将上述元件独立出来，分别使用性价比较高的成熟制程进行制造后，再与其他采用先进制程的小晶片封装集成的方式，可进一步降低整体制造成本。
根据amd等分析，相较soc设计, chiplet能减少整体制造成本达近50%之多，且此一成本优势在越高阶(越多核心数)的产品线表现得更为明显。
让多个芯粒互联起来并最终异构集成成为一个大芯片，主要有两个技术难点：
互联。如何让芯粒之间高速互联，是chiplet技术落地的关键。芯片设计公司在设计芯粒之间的互联接口时，首要保证的是高数据吞吐量，另外，数据延迟和误码率也是关键要求，还要考虑能效和连接距离。封装。怎么把多个chiplet封装起来，而且解决好散热问题：一是封装体内总热功耗将显著提升；二是芯片采用2.5d/3d堆叠，增加了垂直路径热阻；三是更加复杂的sip，跨尺度与多物理场情况下热管理设计复杂。
虽然chiplet异构集成技术的标准化刚刚开始，但其已在诸多领域体现出独特的优势，应用范围从高端的高性能cpu、fpga、网络芯片到低端的蓝牙、物联网及可穿戴设备芯片。
在高性能cpu芯片方面，amd推出的zen 2架构通过将不同工艺节点的多个处理器核裸片（7nm）、io裸片（14nm）以及存储器裸片组合构建成chiplet芯片，从而以较低的成本获得高端工艺带来的计算处理性能提升。
英特尔公司 stratix 10高性能fpga较早采用chiplet技术研制，通过emib硅桥封装技术（2.5d）基于aib接口实现fpga逻辑裸片与serdes io裸片之间的集成。stratix 10集成了来自三个芯片代工厂的6种工艺节点的裸片，有效证明了不同代工厂面向chiplet技术的互操作性。英特尔公司 agilex系列fpga则利用了先进的3d封装技术实现了包括10nm fpga核心与112g serdes的集成，证明了chiplet技术应用于构建高工艺制程和高i/o性能芯片的可行性。
zglue公司专注于中低端chiplet芯片的研制和标准化，其研制或代工的蓝牙、物联网、wifi等chiplet芯片，裸片来源adi、dialog，macronix和vishay等30多家公司的近100种芯片产品。其建立了一套基础的chiplet eda工具链，使得快速实现裸片组合与复用成为可能。
今年3月2日，英特尔与amd、arm、高通、微软、谷歌、meta、台积电、日月光、三星等十家行业巨头正式成立ucie（通用芯粒高速互连）产业联盟，意欲共同打造chiplet互连标准，携手推动chiplet接口规范的标准化。国内厂商方面，包括芯原、超摩科技、灿导、芯和等多家半导体企业已经陆续加入。另外近日也有消息传出，阿里巴巴也加入了chiplet生态联盟ucie，并且成为中国大陆首家董事会成员。
ucie主要借鉴了英特尔的aib（advanced interface bus，高级接口总线）技术，这项技术在2020年就捐赠给了chips联盟。ucie规范涵盖了物理层、通讯电气信号标准、通道数量以及触点间距等等。在协议上，也定义了高阶协议和必要的功能集。
不过ucie没有规范芯粒之间的物理连接的封装、桥接技术，芯粒之间的连接方式可以通过硅中介层或者其他方式连接方式协同工作。换而言之，只要芯粒符合ucie标准，不管你是如何封装或桥接，都能与两外一个支持ucie的芯粒产生通讯。同时ucie 1.0会提供基础封装和高阶封装两种级别参考。基础封装主要针对传统的有机基板低带宽设备设计，允许元件拥有16条数据通道，100μm以上的触点间距。高阶封装则涵盖了所有基于高密度硅桥技术，包括emib和info，触点间距缩小到25μm 到 55μm之间，密度更高，通道距离更短，，每秒可以进行1.3tb的数据沟通。
所有ucie封装类型都要求通信延迟必须低于2ns，电源效率范围低至0.5 pj/bit，高阶封装则需要达到0.25 pj/bit。同时在高阶封装层面，物理层标准还包括了电信号、时钟频率、链路、边带信号等等。同时还具备一个256bit的流控制单元flit处理实际的数据传输。
而在此之上的中间层，则由die to die适配单元提供链路状态管理、参数协商等功能。同时，d2d单元还提供crc循环冗余校验码和链路级重试的额外数据可靠性保护功能。
与传统soc相比，chiplet的思想是将不同的小芯粒通过先进封装形成系统芯片；这也意味着，更为专业的设计工具对chiplet未来生态的发展至关重要：
eda设计流程图
chiplet因为需要更多异构芯片和各类总线的加入，将会使得整个芯片的设计过程变得更加复杂。
当然，相较于设计工具，chiplet的ip新理念也至关重要。
一些半导体ip核以硅片的形式提供，ip即是chiplets，旨在以芯粒形式实现ip的“即插即用”和“重复利用”。
以解决原有先进制程工艺芯片面临的性能与成本的矛盾，并降低较大规模芯片的设计时间和风险，实现从传统soc封装的ip到先进封装中以独立的chiplets形式呈现的ip。
chiplet的ip新理念 chiplets结构：
随着摩尔定律的放缓，芯粒（chiplet）和异构集成 (hi：heterogenous integration) 提供了一种令人信服的方式来继续改进性能、功耗、面积和成本 (ppac)，但是选择连接这些设备的最佳方式以使它们以一致且可预测的方式运行是随着选项数量的不断增加，这成为一个挑战。
更多的可能性也带来更多潜在的连接方式。因此，虽然 ai、5g、高性能计算、移动和可穿戴设备中的下一代应用都受益于不同设备在紧凑封装中的各种组合，但仅对不断增加的互连选择进行分类是一项挑战。但有利的一面是，该行业不再受一套规则的束缚，定制和优化系统的可能性正在呈爆炸式增长。
promex工程副总裁 chip greely 说：“异构集成的美妙之处在于它现在并不总是适用于电气。” “你也可以将机电设备放入你的封装中。对于我们的一些产品领域——例如，医用相机——我们将机械和电气功能整合在一个很小的空间内。如果你想拥有一个稳健的制造过程，你就会试图让你包括机械接口在内的接口尽可能容忍任何未对准或放置精度的任何变化。”
三星、英特尔、台积电和许多其他设备制造商正专注于优化各种架构中的芯片到芯片（die-to-die）和芯片到封装（die-to-package）互连，无论是使用微凸块、混合键合和桥接的垂直构建，还是使用扇出重新分布的水平构建层。决定如何以及在何处形成互连正在成为系统集成的重要组成部分。
封装选项的数量正在增加，因为许多新设计都是针对特定应用高度定制的。因此，它们的构造和连接方式通常取决于需要处理的数据量和类型、需要处理的位置以及可用功率。例证：特斯拉的 d1 dojo 芯片是一块 500 亿晶体管芯片，用于在特斯拉数据中心内训练 ai 模型。特斯拉低压电子产品副总裁皮特·班农 (pete bannon) 在最近的一次演讲中表示，这里的重点是海量数据吞吐量，使用具有内置灵活性的高度并行计算。
特斯拉的设备基于台积电的集成扇出(info) 技术，在阵列中包含 25 个 d1 芯粒。bannon 表示，该设备可以达到 9 petaflops，使用 576 通道的 i/o 环以每秒 36 tb 的速度移动。它还包括 3 个窄 rdl 层和 3 个厚 rdl 层。
与此同时，台积电的路线图要求采用可将电阻降低 40% 的新型低电阻互连。台积电高级副总裁yuh jier mii 表示，该方案不是通过大马士革（damascene）制造，而是通过带气隙而不是电介质的减法金属反应离子蚀刻（subtractive metal reactive ion etch）制造，可以将电容降低 20% 至 30%，并最终用 2d 互连材料取代铜互连。mii 在最近的一次演示中表示：“随着电阻率降低，未来有可能通过增强的互连性能进行扩展。”
图 1：从板上芯片到异构集成的重新配置和互连路径
异构集成的路线图正在通过混合键合、更多地使用硅桥、二氧化硅和尺寸越来越大的聚合物中介层转向更多的芯片堆叠。为了满足不同的最终用途，体系结构和封装类型不断增加。
不同的架构，优先级
“先进封装架构有望导致 i/o 互连呈指数级增长，”三星电子公司副总裁 seung wook yoon 说（见图 1）。yoon 在 iedm上详细介绍了该公司用于芯粒集成的先进封装 fab 解决方案 (apfs)，重点介绍了先进封装流程中的四个关键工艺——薄晶圆切割、混合键合、薄晶圆剥离（零应力）和垂直互连. “对于芯粒技术，晶圆厚度和凸点间距是关键参数。目前，最先进的 hbm 封装的晶圆厚度小于 40μm，并将超过 16 个裸片堆叠到一个封装中。”
三星有四种不同的封装配置：2.5d rdl (r-cube)、2.5d 硅中介层 (i-cube)、3d-ic堆叠、采用混合键合的 x-cube 微凸块和混合中介层(h-cube)。
图 2：高带宽内存和 ai/高性能计算中不断增加的互连数量
不断增加的电气、机械和热问题也在推动 hi 工艺解决方案的发展。例如，tsmc 展示了它如何解决由 4 个soc 和 8 个 hbm 在 78 x 72mm 基板上的 50 x 54 mm 有机中介层上组成的系统中的噪声问题（见图 3）。在此设计中，用于芯片间连接的微凸块的最小凸块间距为 35μm。有机中介层（50 x 54 毫米或 3.3x 光罩尺寸）包含大约 53,000 条再分布层线（redistribution layer lines）。
图 3：约 53,000条细间距 2um rdl 线形成总长 140 米，将 4 个 soc 和 8 个 hbm 与层压基板 (cowos-r) 上的有机中介层连接起来
台积电在其中介层电介质的 c4 凸点侧集成了一个分立式去耦电容器，非常靠近 soc 器件，以确保快速抑制电源域噪声。这反过来又增强了 hbm 在高数据速率下的信号完整性。
热问题虽然对半导体行业来说并不新鲜，但当更多的计算和电源管理设备彼此靠近放置时，热问题会变得更加严重。greely 指出了内存和电源管理 ic 等组合，它们通常必须在一个封装内隔离。“电源管理就像一个老式的暖手器，而内存不喜欢超过 85°c，更不用说 100°c。”
中介层，无论是基于硅还是基于聚合物的薄膜，都有助于互连并充当异质芯片堆栈的应力消除缓冲器。压力管理以及芯片移位最小化是晶圆厂开始从架构规划和工艺方面着手解决的持续性问题。
ase 在 iedm 上展示了其三个垂直集成扇出封装线的详细信息。“对于 2.5d 和 3d，我们看到了密度和带宽的增加。但我们也看到成本增加，这导致我们开发和引入了 vipak 平台，” ase工程和技术营销高级总监 lihong cao 说。“通过使用硅桥，l/s 芯片到芯片互连可以扩展到 0.8μm，甚至 0.65μm。所以在这个过程中，你最后放上die，但将桥接die放在载体上并使用铜柱连接。并且有两个成型步骤。首先是保护桥接die。所以我不使用 rdl 进行互连，连接是通过桥接裸片，你可以使用 65nm 工艺设计桥接裸片，然后最后贴上芯片。”
异构系统本身就是系统或子系统。他们需要系统技术协同优化 (stco)，这是 iedm 庆祝晶体管发明 75 周年并展望下一个 75 年的主题。英特尔技术开发总经理 ann kelleher 表示：“庆祝晶体管的最佳方式是期待我们如何确保在未来 75 年内带来尽可能多的创新。”“基于系统的技术协同优化 (stco) 是摩尔定律的下一步发展。”
stco 将设计技术协同优化提升到系统级，为一个或多个制造流程优化设计工具。根据 kelleher 的说法，下一阶段“就是我所说的从工作量开始工作。” 这包括系统和软件的所有方面，直至整个制造过程（见图 4），同时优化系统设计、软件、设备、互连、晶体管等。
图 4：stco 从工作负载开始，考虑晶圆厂和封装制造和设计以及软件和系统架构的所有方面
在工艺技术方面，kelleher 指出晶体管将在 2023 年转变为环栅 fet，在2025 年转变为高 na euv，下一代互连金属、铁电材料，以及光学互连的最终结合。
混合键合
混合键合之所以称为混合键合，是因为它同时键合了铜对铜焊盘（copper-to-copper pads）和电介质对电介质场（dielectric-to-dielectric fields），提供了终极的垂直连接。相对于铜微凸块，混合键合可将信号延迟降至接近零，同时使凸块密度提高 1,000 倍。微凸点间距目前在 35μm 以上。对于混合键合，正在评估小于 20μm的间距。
“我们正在与客户就几个有趣的混合绑定用例进行交流，包括高带宽边缘 ai 设备和 rf 组件。根据应用的不同，应用混合键合的好处可以是更高的性能和/或更强大的功能，在外形尺寸限制内，” umc技术开发总监 tony lin 说。
清洁界面和精确对准是具有生产价值的混合键合工艺的关键要素。晶圆对晶圆（w2w）键合和芯片对晶圆(c2w)键合工艺均可用。w2w更成熟，但它需要相同尺寸的芯片，几乎没有灵活性。芯片到晶圆的流程更加复杂，并且容易受到芯片放置对齐不准确的影响。提高贴装精度的一种方法是同时对多个裸片执行集体 d2w 键合（见图 5）。也有多种脱粘方法，重点是最大限度地减少基板应力、降低成本和提高产量。
例如，热方法成本低，但会引入压力，并且产量低。brewer science副主任 alvin lee 表示，化学方法可以在室温下进行，但通量仍然很低。激光剥离提供更快的吞吐量和低应力，但设备成本高。下一代光子剥离使用高强度光从玻璃上快速剥离晶圆，以更适中的工具成本引入很小的应力，lee 指出。集体 d2w 混合键合是扇出封装的使能技术。
图 5：集体芯片到晶圆混合键合的工艺流程提供了比单独拾取和放置更高的吞吐量和卓越的对准精度
混合绑定的早期采用者的额外好处之一可能是他们能够实现相当于技术节点转换的性能提升。“我们的客户继续需要在他们的 ic 设计中实现更快的性能、更高的电源效率和更低的成本，这在过去是通过缩小晶体管来实现的，”umc 的 lin 说。“随着跟上摩尔定律变得更具挑战性和成本更高，混合键合可以提供我们客户寻求的性能改进，使其成为技术节点迁移的灵活替代解决方案。”
英特尔透露了其在混合键合方面的研发进展，从2021年的10μm间距铜-铜键合扩展到上个月的3微米间距键合（见图6）。一些专门针对混合键合优化的新工艺模块包括调整 pecvd 氧化物沉积工艺以沉积厚 (20μm) 的低应力薄膜，改进氧化物 cmp 浆料以加快抛光速度，以及创建高纵横比蚀刻和填充工艺对于通过电介质过孔。
图 6：2021 年演示了间距为 10μm的混合铜-铜键合，2022 年演示了间距为 3微米的混合铜-铜键合，密度增加了 1,000 倍
但这些过程也有一些问题需要解决，这需要时间。例如，芯片移位可能是先进封装和异构集成的一个重要问题。greely 说：“也许您的互连焊盘尺寸过大，这样您就可以为任何芯片移位做出妥协。” “当你放下 rdl 层时，registration将是关键。”
插入结构（an interposing structure）
插入器（interposing）本身不是分立元件。它是芯片（或芯片）和下面的层压基板之间的中间结构。尽管业界经常提到硅中介层，但构成硅中介层的材料都是电介质，即二氧化硅。基于聚合物的中介层比硅中介层便宜得多，但它们在某些应用中缺乏可靠性。
台积电探索了有机中介层在电气性能、翘曲控制、良率和可靠性方面的优势。“传输损耗是线路长度的函数。对于固定的每比特能量功耗设计预算，需要缩短互连长度以实现高带宽，”台积电后端技术服务部总监 shin-puu jeng 说。
该代工厂一直致力于提高其堆叠技术的可靠性。“当你进入高速时，cowos-r的优势更大，因为 rc 的优势在高频下衰减得更慢，”jeng 说。cowos-r 中的有机中介层由聚合物中的铜线组成（介电常数 = 3.3）。“非常密集的垂直连接可实现低阻抗电力传输网络。从铜/氧化物模拟眼图可以看到，氧化物中较薄的铜，聚合物中的铜，表明聚合物中铜的线长具有更大的灵活性。在 cpu 到 hbm 互连的情况下，长rdl 互连（l/s = 2μm/2μm）变厚（4μm）以减少高速数据传输的负载，同时也改善 ir 压降用于供电网络。与薄或厚 tsv 相比，聚合物通孔的插入损耗更低。rc 延迟会影响功耗。电力传输具有水平和垂直传输组件。非常密集的垂直连接提供低阻抗pdn。去耦电容器对于抑制电源噪声和实现稳定的电压供应很重要。”
建立桥梁
英特尔和台积电一直在使用专有的硅桥技术来互连高带宽内存模块和cpu/gpu。ase 最近推出了一个带有嵌入式桥的封装平台，能够以 0.8 微米的线和间距 (focos-b) 连接芯粒到芯粒。
“由于固有的扇出 rdl 工艺限制，focos-cf 和 focos-cl（先芯片后芯片）解决方案在制造具有高层数（>6 层）和细线/间距（l /s = 1μm/1μm)，适用于需要高密度 die-to-die 连接、高输入/输出计数和高速信号传输的应用，”ase 的 cao 说。focos-b 为多个桥接芯片集成提供了多种选择。在一个示例中，8 个硅桥芯片嵌入到两个相同的扇出 rdl 结构中，具有 2 个 asic 和 8 个 hbm2e 模块。它们使用两个相同的扇出模块进行安装，这些模块组装在 mcm 中的一个倒装芯片 bga 基板上（见图 2）。fo 模块均为 47 x 31mm，封装体尺寸为 78 x 70mm。
图 7：基板桥上的扇出芯片 (focos-b) 原理图（上图）和横截面图（下图）实现了比 rdl 更小的芯片到芯片连接 (0.8μm)
cao 解释说，ase 工程师通常还比较了 2.5d 与芯片在后和芯片在前的 focos 方法的插入损耗、翘曲和可靠性。由于消除了硅中介层并减少了寄生电容和串扰，两种 focos 方法都展示了优于 2.5d si tsv 的电气性能。封装级翘曲，主要由芯片和基板以及扇出模块之间的 cte（热膨胀系数）不匹配引起，显示出更好的翘曲控制，并且所有封装都在组装前通过了开路/短路和功能测试，以及可靠性压力测试 jedec 条件。
但这仍然不简单。“当我设计 bga 基板时，铜平衡（copper balance）被敲打到我身上，以确保我们制作出良好的直板基板，”promex 的 greely 说。“现在，铜平衡是单个封装级别的问题，我将 7、10、12 个不同的器件放入不同的温度下，将它们贴附到基板上，我得到 12 到 14 微米从一个温度到另一个温度的翘曲变化。如果我有一个 50 毫米的基板，它有 250 微米的偏转，在室温下是凹面的，而在 300 度时则相反，现在它是凸面的。我正在尝试将一块漂亮的 25 微米背景硅放在那个东西上，并希望它在冷却回室温后保持一体。这可能是一个极端的例子，但这些都是严峻的挑战。”
热管理
在封装中，超过 90% 的热量通过封装从芯片顶部散发到散热器，通常是带垂直鳍片的阳极氧化铝基散热器。具有高导热性的热界面材料（tim）放置在芯片和封装之间以帮助传递热量。用于 cpu 的下一代 tim 包括金属板合金（如铟和锡）和银烧结锡，它们分别传导 60w/mk 和 50w/mk。
工程师和材料供应商继续探索替代 tim。amkor technology的高级机械工程师 nathan whitchurch 说：“过去稀有的材料正变得越来越稀有”. “因此，对于烧结银，您最终会在盖子和管芯之间形成导热性非常高的银合金基体。另一种是较软的 tim——铟基类型的东西。几年前，我们经常谈论相变材料。这似乎已经消失，因为人们意识到可靠性和优势并不存在。石墨垫之类的东西具有难以克服的工程挑战。单一方向上的石墨具有高导热性，但将其装入封装中是一项艰巨的挑战。所以这就是我们看到随着时间的推移，更奇特的材料变得不那么奇特的地方。”
先进封装中的芯粒通过焊料、微凸块、rdl 和混合键合进行电气互连。所有这些连接都需要在模块的使用寿命内保持可靠。随着封装类型的激增和压力更低的新工艺的出现，工程师们发现异构集成提供的灵活性可能值得所有挑战。
关于芯粒和异构集成的讨论通常不会提及该行业采用这种新范式的时间有多早。“ucie是一个非常好的开放标准，”ase 首席执行官 bill chen 说。“有些人跑得比标准还快。但随后会有用户的反馈。” 然后，该反馈循环将更深入地了解未来需要什么。此外，供应商-客户生态系统将了解哪种类型的异构集成、组装技术、流程、设计工具等最有效。这将是一个过程。
三星的 yoon 表示：“半导体才刚刚开始其芯粒和异构的旅程，因为设备缩放变得如此困难和昂贵，而且 ppac 正在随着每个先进节点而缩小。”“芯粒设计标准将变得更加普遍，将这些设备组合在一起的更可预测的方式将接管。但所有这一切都需要数年时间，需要收集大数据、合作伙伴之间的协作以及跨价值链实验来确定什么是有效的。”
具体设计
一、异构集成
异构集成，其全称为异构异质集成，含有异构和异质两重含义。 异构集成主要指将多个不同工艺单独制造的芯片集成到一个封装内部，以增强功能和提高性能，可以对采用不同工艺、不同功能、不同制造商制造的组件进行封装。例如下图所示：将7nm、10nm、28nm、45nm的chiplet通过异构集成技术封装在一起。
异质集成则是指将不同材料的芯片集成为一体，可产生尺寸小、经济性好、设计灵活性高、系统性能更佳的产品。 如下图所示，将silicon、gan、sic、inp生产加工的chiplet通过异质集成技术封装到一起，形成不同材料的半导体在同一款封装内协同工作的场景。
二、sip
sip system-in-package，是指在封装内形成一个系统，sip 关注系统在封装内的实现，所以系统是其重点关注的对象。
至于是否采用了先进封装工艺，并不是sip的关注重点，sip可能采用传统的wire bonding工艺，也可能采用flip chip工艺，当然，sip同样可能采用先进封装工艺。
随着系统对性能performance、功耗power、体积volume（可简称为ppv，和ic设计中的ppa相对应）的要求越来越高，集成密度的需求也越来越高，sip也会越来越多地采用先进封装工艺。
下图中对本文提到的chiplet、2.5d、3d、sip几个关键词进行了标识，供读者参考。chiplet/chip是封装中的单元，先进封装是由chiplet/chip组成的，2.5d和3d是先进封装的工艺手段，sip则指代的是完成的封装整体。
三、3d chiplet
另外，还有一个概念：3d chiplet，这个概念应该是amd在2021年6月份首先提出来的，应用在其3d v-cache上，将包含有64mb l3 cache的chiplet以3d堆叠的形式与处理器封装在了一起。
从结构上来讲，3d chiplet就是将chiplet通过3d tsv集成在一起。另外，为了提高互连密度，3d chiplet采用了no bump的垂直互连结构，因此其互连密度更高。
amd的3d chiplet工艺的实现是由tsmc代工的，tsmc称之为soic，属于其3d fabric的产品范畴，其鲜明的特点就是采用了no bump的高密度垂直互连结构，参看下图。
chiplet 市场格局
目前chiplet已经有少量商业应用，并吸引英特尔和amd等国际芯片厂商投入相关研发，在当前soc遭遇工艺节点和成本瓶颈的情况下有望发展成为一种新的芯片生态。 随着 chiplet 逐步发展，未来来自不同厂商的芯粒之间的互联需求持续提升。 2022年3月，chiplet的高速互联标准——ucie（universalchiplet interconnect express，通用芯粒互联技术）正式推出，旨在芯片封装层面确立互联 互通的统一标准，打造一个开放 性的 chiplet 生态系统。在解决chiplet 标准化方面具有划时代意义。 ucie联盟为chiplet制定了多种先进封装技术，包括英特尔emib、台积电cowos、日月光focos-b等。 ucle发起人为 intel、amd、arm、高通、三星、台 积电、日月光、google cloud、meta 和微软等十家公司。 ucie联盟致力于推行chiplet互联规范，当前联盟成员包括synopsys、cadence、adi、博通等国际龙头。 对于中国半导体而言，后摩尔时代 chiplet 是中国与国外技术差距相对较小的封装技术领域。
国内企业紧跟产业趋势，积极参与融入ucie大生态，有望在chiplet行业技术上乘势而上，实现突破。 国内企业中，芯原微电子、超摩科技、芯和半导体、芯耀辉、摩尔精英、灿芯半导体、忆芯科 技、芯耀辉、牛芯半导体、芯云凌、长鑫存储、超摩科技、希姆计算、世芯电子、阿里巴巴、oppo、爱普科技、芯动科技、蓝洋智能等多家国内企业已成为 ucie 联盟成员。
chiplet的现实意义：开启了ip新型复用模式
chiplet的实现开启了ip的新型复用模式，即硅片级别的ip复用。 不同功能的ip，如cpu、存储器、模拟接口等，可灵活选择不同的工艺分别进行生产，从而可以灵活平衡计算性能与成本，实现功能模块的最优配置而不必受限于晶圆厂工艺。 amd 公司是第一个引入小芯片架构的供应商。amd 在第三代锐龙（ryzen）处理器上复 用了第二代霄龙（epyc）处理器的 io chiplet，这种复用不但可以将“老旧制程”生 产的 chiplet 继续应用到下一代产品中以节约成本，更能极大地节约设计、验证和生 产周期并降低失败风险。 amd io chiplet 的复用：
就chiplet和半导体ip的联系而言，chiplet可以被看作是半导体ip经过设计和制程优化后的硬件化产品，其业务形成也从半导体ip的软件形式转向到chiplet的硬件形式。 半导体ip的市场参与者可大致分为两类：新思科技和cadence是与eda工具捆绑型的半导体ip供应商，生态链优势明显；其余是在细分领域提供专业的ip核厂商。 当前ip市场仍然被英美国家高度垄断，全球前3厂商是arm(英国)、synopsys（美国）和cadence（美国）。sst凭借着嵌入式非挥发性存储器异军突起，现在已经排到了全球第四。
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chiplet 模式兼具设计弹性、成本节省、加速上市等优势，已被公认为后摩尔时代半导体产业的最优解集之一，在产业链上下游企业的共同推进下，chiplet已经加速进入商业应用，应用领域包括新一代移动通信、高性能计算、自动驾驶以及物联网等。
chiplet主要帮助半导体解决了先进制程带来的几项痛点，包括:
（1）提高制造良率:来自hpc、al的庞大运算需求，除了带动对逻辑晶片内的运算核心数量需求上升，连带晶片组内相应的快取记忆体、|/o元件数目与体积也大幅增加，进而加大晶片面积。这样的放大除增加制造难度外，由缺陷密度带来的良识别风险。透过chiplet设计，将超大型晶片切割成各独立小晶片，可有效改善良率。
（2）降低设计的成本:随着制程不断微缩，单一ic的设计成本近乎成倍数提升，在chiplet的架构 下，将原先soc重构为多颗小晶片后，部分小晶片可做到类模组化设计并重复运用在不同的产品线中。此外，在设计新产品时，晶片组中部分元件可直接延用前一代电路设计甚至采用其他业者的小晶片模组，好将资金与心力集中投注在关键小晶片的设计迭代。
（3）降低制造的成本:系统单晶片内的部分电路如快取记忆体、1/0元件、处理类比/溷合讯号的元件等由于性能要求较低，并不需使用到最先进的制程工艺。因此透过将上述元件独立出来，分别使用性价比较高的成熟制程进行制造后，再与其他采用先进制程的小晶片封装集成的方式，可进一步降低整体制造成本。
根据amd等分析，相较soc设计, chiplet能减少整体制造成本达近50%之多，且此一成本优势在越高阶(越多核心数)的产品线表现得更为明显。
让多个芯粒互联起来并最终异构集成成为一个大芯片，主要有两个技术难点：
互联。如何让芯粒之间高速互联，是chiplet技术落地的关键。芯片设计公司在设计芯粒之间的互联接口时，首要保证的是高数据吞吐量，另外，数据延迟和误码率也是关键要求，还要考虑能效和连接距离。封装。怎么把多个chiplet封装起来，而且解决好散热问题：一是封装体内总热功耗将显著提升；二是芯片采用2.5d/3d堆叠，增加了垂直路径热阻；三是更加复杂的sip，跨尺度与多物理场情况下热管理设计复杂。
虽然chiplet异构集成技术的标准化刚刚开始，但其已在诸多领域体现出独特的优势，应用范围从高端的高性能cpu、fpga、网络芯片到低端的蓝牙、物联网及可穿戴设备芯片。
在高性能cpu芯片方面，amd推出的zen 2架构通过将不同工艺节点的多个处理器核裸片（7nm）、io裸片（14nm）以及存储器裸片组合构建成chiplet芯片，从而以较低的成本获得高端工艺带来的计算处理性能提升。
英特尔公司 stratix 10高性能fpga较早采用chiplet技术研制，通过emib硅桥封装技术（2.5d）基于aib接口实现fpga逻辑裸片与serdes io裸片之间的集成。stratix 10集成了来自三个芯片代工厂的6种工艺节点的裸片，有效证明了不同代工厂面向chiplet技术的互操作性。英特尔公司 agilex系列fpga则利用了先进的3d封装技术实现了包括10nm fpga核心与112g serdes的集成，证明了chiplet技术应用于构建高工艺制程和高i/o性能芯片的可行性。
zglue公司专注于中低端chiplet芯片的研制和标准化，其研制或代工的蓝牙、物联网、wifi等chiplet芯片，裸片来源adi、dialog，macronix和vishay等30多家公司的近100种芯片产品。其建立了一套基础的chiplet eda工具链，使得快速实现裸片组合与复用成为可能。
今年3月2日，英特尔与amd、arm、高通、微软、谷歌、meta、台积电、日月光、三星等十家行业巨头正式成立ucie（通用芯粒高速互连）产业联盟，意欲共同打造chiplet互连标准，携手推动chiplet接口规范的标准化。国内厂商方面，包括芯原、超摩科技、灿导、芯和等多家半导体企业已经陆续加入。另外近日也有消息传出，阿里巴巴也加入了chiplet生态联盟ucie，并且成为中国大陆首家董事会成员。
ucie主要借鉴了英特尔的aib（advanced interface bus，高级接口总线）技术，这项技术在2020年就捐赠给了chips联盟。ucie规范涵盖了物理层、通讯电气信号标准、通道数量以及触点间距等等。在协议上，也定义了高阶协议和必要的功能集。
不过ucie没有规范芯粒之间的物理连接的封装、桥接技术，芯粒之间的连接方式可以通过硅中介层或者其他方式连接方式协同工作。换而言之，只要芯粒符合ucie标准，不管你是如何封装或桥接，都能与两外一个支持ucie的芯粒产生通讯。同时ucie 1.0会提供基础封装和高阶封装两种级别参考。基础封装主要针对传统的有机基板低带宽设备设计，允许元件拥有16条数据通道，100μm以上的触点间距。高阶封装则涵盖了所有基于高密度硅桥技术，包括emib和info，触点间距缩小到25μm 到 55μm之间，密度更高，通道距离更短，，每秒可以进行1.3tb的数据沟通。
所有ucie封装类型都要求通信延迟必须低于2ns，电源效率范围低至0.5 pj/bit，高阶封装则需要达到0.25 pj/bit。同时在高阶封装层面，物理层标准还包括了电信号、时钟频率、链路、边带信号等等。同时还具备一个256bit的流控制单元flit处理实际的数据传输。
而在此之上的中间层，则由die to die适配单元提供链路状态管理、参数协商等功能。同时，d2d单元还提供crc循环冗余校验码和链路级重试的额外数据可靠性保护功能。
与传统soc相比，chiplet的思想是将不同的小芯粒通过先进封装形成系统芯片；这也意味着，更为专业的设计工具对chiplet未来生态的发展至关重要：
eda设计流程图
chiplet因为需要更多异构芯片和各类总线的加入，将会使得整个芯片的设计过程变得更加复杂。
当然，相较于设计工具，chiplet的ip新理念也至关重要。
一些半导体ip核以硅片的形式提供，ip即是chiplets，旨在以芯粒形式实现ip的“即插即用”和“重复利用”。
以解决原有先进制程工艺芯片面临的性能与成本的矛盾，并降低较大规模芯片的设计时间和风险，实现从传统soc封装的ip到先进封装中以独立的chiplets形式呈现的ip。
chiplet的ip新理念 chiplets结构：
随着摩尔定律的放缓，芯粒（chiplet）和异构集成 (hi：heterogenous integration) 提供了一种令人信服的方式来继续改进性能、功耗、面积和成本 (ppac)，但是选择连接这些设备的最佳方式以使它们以一致且可预测的方式运行是随着选项数量的不断增加，这成为一个挑战。
更多的可能性也带来更多潜在的连接方式。因此，虽然 ai、5g、高性能计算、移动和可穿戴设备中的下一代应用都受益于不同设备在紧凑封装中的各种组合，但仅对不断增加的互连选择进行分类是一项挑战。但有利的一面是，该行业不再受一套规则的束缚，定制和优化系统的可能性正在呈爆炸式增长。
promex工程副总裁 chip greely 说：“异构集成的美妙之处在于它现在并不总是适用于电气。” “你也可以将机电设备放入你的封装中。对于我们的一些产品领域——例如，医用相机——我们将机械和电气功能整合在一个很小的空间内。如果你想拥有一个稳健的制造过程，你就会试图让你包括机械接口在内的接口尽可能容忍任何未对准或放置精度的任何变化。”
三星、英特尔、台积电和许多其他设备制造商正专注于优化各种架构中的芯片到芯片（die-to-die）和芯片到封装（die-to-package）互连，无论是使用微凸块、混合键合和桥接的垂直构建，还是使用扇出重新分布的水平构建层。决定如何以及在何处形成互连正在成为系统集成的重要组成部分。
封装选项的数量正在增加，因为许多新设计都是针对特定应用高度定制的。因此，它们的构造和连接方式通常取决于需要处理的数据量和类型、需要处理的位置以及可用功率。例证：特斯拉的 d1 dojo 芯片是一块 500 亿晶体管芯片，用于在特斯拉数据中心内训练 ai 模型。特斯拉低压电子产品副总裁皮特·班农 (pete bannon) 在最近的一次演讲中表示，这里的重点是海量数据吞吐量，使用具有内置灵活性的高度并行计算。
特斯拉的设备基于台积电的集成扇出(info) 技术，在阵列中包含 25 个 d1 芯粒。bannon 表示，该设备可以达到 9 petaflops，使用 576 通道的 i/o 环以每秒 36 tb 的速度移动。它还包括 3 个窄 rdl 层和 3 个厚 rdl 层。
与此同时，台积电的路线图要求采用可将电阻降低 40% 的新型低电阻互连。台积电高级副总裁yuh jier mii 表示，该方案不是通过大马士革（damascene）制造，而是通过带气隙而不是电介质的减法金属反应离子蚀刻（subtractive metal reactive ion etch）制造，可以将电容降低 20% 至 30%，并最终用 2d 互连材料取代铜互连。mii 在最近的一次演示中表示：“随着电阻率降低，未来有可能通过增强的互连性能进行扩展。”
图 1：从板上芯片到异构集成的重新配置和互连路径
异构集成的路线图正在通过混合键合、更多地使用硅桥、二氧化硅和尺寸越来越大的聚合物中介层转向更多的芯片堆叠。为了满足不同的最终用途，体系结构和封装类型不断增加。
不同的架构，优先级
“先进封装架构有望导致 i/o 互连呈指数级增长，”三星电子公司副总裁 seung wook yoon 说（见图 1）。yoon 在 iedm上详细介绍了该公司用于芯粒集成的先进封装 fab 解决方案 (apfs)，重点介绍了先进封装流程中的四个关键工艺——薄晶圆切割、混合键合、薄晶圆剥离（零应力）和垂直互连. “对于芯粒技术，晶圆厚度和凸点间距是关键参数。目前，最先进的 hbm 封装的晶圆厚度小于 40μm，并将超过 16 个裸片堆叠到一个封装中。”
三星有四种不同的封装配置：2.5d rdl (r-cube)、2.5d 硅中介层 (i-cube)、3d-ic堆叠、采用混合键合的 x-cube 微凸块和混合中介层(h-cube)。
图 2：高带宽内存和 ai/高性能计算中不断增加的互连数量
不断增加的电气、机械和热问题也在推动 hi 工艺解决方案的发展。例如，tsmc 展示了它如何解决由 4 个soc 和 8 个 hbm 在 78 x 72mm 基板上的 50 x 54 mm 有机中介层上组成的系统中的噪声问题（见图 3）。在此设计中，用于芯片间连接的微凸块的最小凸块间距为 35μm。有机中介层（50 x 54 毫米或 3.3x 光罩尺寸）包含大约 53,000 条再分布层线（redistribution layer lines）。
图 3：约 53,000条细间距 2um rdl 线形成总长 140 米，将 4 个 soc 和 8 个 hbm 与层压基板 (cowos-r) 上的有机中介层连接起来
台积电在其中介层电介质的 c4 凸点侧集成了一个分立式去耦电容器，非常靠近 soc 器件，以确保快速抑制电源域噪声。这反过来又增强了 hbm 在高数据速率下的信号完整性。
热问题虽然对半导体行业来说并不新鲜，但当更多的计算和电源管理设备彼此靠近放置时，热问题会变得更加严重。greely 指出了内存和电源管理 ic 等组合，它们通常必须在一个封装内隔离。“电源管理就像一个老式的暖手器，而内存不喜欢超过 85°c，更不用说 100°c。”
中介层，无论是基于硅还是基于聚合物的薄膜，都有助于互连并充当异质芯片堆栈的应力消除缓冲器。压力管理以及芯片移位最小化是晶圆厂开始从架构规划和工艺方面着手解决的持续性问题。
ase 在 iedm 上展示了其三个垂直集成扇出封装线的详细信息。“对于 2.5d 和 3d，我们看到了密度和带宽的增加。但我们也看到成本增加，这导致我们开发和引入了 vipak 平台，” ase工程和技术营销高级总监 lihong cao 说。“通过使用硅桥，l/s 芯片到芯片互连可以扩展到 0.8μm，甚至 0.65μm。所以在这个过程中，你最后放上die，但将桥接die放在载体上并使用铜柱连接。并且有两个成型步骤。首先是保护桥接die。所以我不使用 rdl 进行互连，连接是通过桥接裸片，你可以使用 65nm 工艺设计桥接裸片，然后最后贴上芯片。”
异构系统本身就是系统或子系统。他们需要系统技术协同优化 (stco)，这是 iedm 庆祝晶体管发明 75 周年并展望下一个 75 年的主题。英特尔技术开发总经理 ann kelleher 表示：“庆祝晶体管的最佳方式是期待我们如何确保在未来 75 年内带来尽可能多的创新。”“基于系统的技术协同优化 (stco) 是摩尔定律的下一步发展。”
stco 将设计技术协同优化提升到系统级，为一个或多个制造流程优化设计工具。根据 kelleher 的说法，下一阶段“就是我所说的从工作量开始工作。” 这包括系统和软件的所有方面，直至整个制造过程（见图 4），同时优化系统设计、软件、设备、互连、晶体管等。
图 4：stco 从工作负载开始，考虑晶圆厂和封装制造和设计以及软件和系统架构的所有方面
在工艺技术方面，kelleher 指出晶体管将在 2023 年转变为环栅 fet，在2025 年转变为高 na euv，下一代互连金属、铁电材料，以及光学互连的最终结合。
混合键合
混合键合之所以称为混合键合，是因为它同时键合了铜对铜焊盘（copper-to-copper pads）和电介质对电介质场（dielectric-to-dielectric fields），提供了终极的垂直连接。相对于铜微凸块，混合键合可将信号延迟降至接近零，同时使凸块密度提高 1,000 倍。微凸点间距目前在 35μm 以上。对于混合键合，正在评估小于 20μm的间距。
“我们正在与客户就几个有趣的混合绑定用例进行交流，包括高带宽边缘 ai 设备和 rf 组件。根据应用的不同，应用混合键合的好处可以是更高的性能和/或更强大的功能，在外形尺寸限制内，” umc技术开发总监 tony lin 说。
清洁界面和精确对准是具有生产价值的混合键合工艺的关键要素。晶圆对晶圆（w2w）键合和芯片对晶圆(c2w)键合工艺均可用。w2w更成熟，但它需要相同尺寸的芯片，几乎没有灵活性。芯片到晶圆的流程更加复杂，并且容易受到芯片放置对齐不准确的影响。提高贴装精度的一种方法是同时对多个裸片执行集体 d2w 键合（见图 5）。也有多种脱粘方法，重点是最大限度地减少基板应力、降低成本和提高产量。
例如，热方法成本低，但会引入压力，并且产量低。brewer science副主任 alvin lee 表示，化学方法可以在室温下进行，但通量仍然很低。激光剥离提供更快的吞吐量和低应力，但设备成本高。下一代光子剥离使用高强度光从玻璃上快速剥离晶圆，以更适中的工具成本引入很小的应力，lee 指出。集体 d2w 混合键合是扇出封装的使能技术。
图 5：集体芯片到晶圆混合键合的工艺流程提供了比单独拾取和放置更高的吞吐量和卓越的对准精度
混合绑定的早期采用者的额外好处之一可能是他们能够实现相当于技术节点转换的性能提升。“我们的客户继续需要在他们的 ic 设计中实现更快的性能、更高的电源效率和更低的成本，这在过去是通过缩小晶体管来实现的，”umc 的 lin 说。“随着跟上摩尔定律变得更具挑战性和成本更高，混合键合可以提供我们客户寻求的性能改进，使其成为技术节点迁移的灵活替代解决方案。”
英特尔透露了其在混合键合方面的研发进展，从2021年的10μm间距铜-铜键合扩展到上个月的3微米间距键合（见图6）。一些专门针对混合键合优化的新工艺模块包括调整 pecvd 氧化物沉积工艺以沉积厚 (20μm) 的低应力薄膜，改进氧化物 cmp 浆料以加快抛光速度，以及创建高纵横比蚀刻和填充工艺对于通过电介质过孔。
图 6：2021 年演示了间距为 10μm的混合铜-铜键合，2022 年演示了间距为 3微米的混合铜-铜键合，密度增加了 1,000 倍
但这些过程也有一些问题需要解决，这需要时间。例如，芯片移位可能是先进封装和异构集成的一个重要问题。greely 说：“也许您的互连焊盘尺寸过大，这样您就可以为任何芯片移位做出妥协。” “当你放下 rdl 层时，registration将是关键。”
插入结构（an interposing structure）
插入器（interposing）本身不是分立元件。它是芯片（或芯片）和下面的层压基板之间的中间结构。尽管业界经常提到硅中介层，但构成硅中介层的材料都是电介质，即二氧化硅。基于聚合物的中介层比硅中介层便宜得多，但它们在某些应用中缺乏可靠性。
台积电探索了有机中介层在电气性能、翘曲控制、良率和可靠性方面的优势。“传输损耗是线路长度的函数。对于固定的每比特能量功耗设计预算，需要缩短互连长度以实现高带宽，”台积电后端技术服务部总监 shin-puu jeng 说。
该代工厂一直致力于提高其堆叠技术的可靠性。“当你进入高速时，cowos-r的优势更大，因为 rc 的优势在高频下衰减得更慢，”jeng 说。cowos-r 中的有机中介层由聚合物中的铜线组成（介电常数 = 3.3）。“非常密集的垂直连接可实现低阻抗电力传输网络。从铜/氧化物模拟眼图可以看到，氧化物中较薄的铜，聚合物中的铜，表明聚合物中铜的线长具有更大的灵活性。在 cpu 到 hbm 互连的情况下，长rdl 互连（l/s = 2μm/2μm）变厚（4μm）以减少高速数据传输的负载，同时也改善 ir 压降用于供电网络。与薄或厚 tsv 相比，聚合物通孔的插入损耗更低。rc 延迟会影响功耗。电力传输具有水平和垂直传输组件。非常密集的垂直连接提供低阻抗pdn。去耦电容器对于抑制电源噪声和实现稳定的电压供应很重要。”
建立桥梁
英特尔和台积电一直在使用专有的硅桥技术来互连高带宽内存模块和cpu/gpu。ase 最近推出了一个带有嵌入式桥的封装平台，能够以 0.8 微米的线和间距 (focos-b) 连接芯粒到芯粒。
“由于固有的扇出 rdl 工艺限制，focos-cf 和 focos-cl（先芯片后芯片）解决方案在制造具有高层数（>6 层）和细线/间距（l /s = 1μm/1μm)，适用于需要高密度 die-to-die 连接、高输入/输出计数和高速信号传输的应用，”ase 的 cao 说。focos-b 为多个桥接芯片集成提供了多种选择。在一个示例中，8 个硅桥芯片嵌入到两个相同的扇出 rdl 结构中，具有 2 个 asic 和 8 个 hbm2e 模块。它们使用两个相同的扇出模块进行安装，这些模块组装在 mcm 中的一个倒装芯片 bga 基板上（见图 2）。fo 模块均为 47 x 31mm，封装体尺寸为 78 x 70mm。
图 7：基板桥上的扇出芯片 (focos-b) 原理图（上图）和横截面图（下图）实现了比 rdl 更小的芯片到芯片连接 (0.8μm)
cao 解释说，ase 工程师通常还比较了 2.5d 与芯片在后和芯片在前的 focos 方法的插入损耗、翘曲和可靠性。由于消除了硅中介层并减少了寄生电容和串扰，两种 focos 方法都展示了优于 2.5d si tsv 的电气性能。封装级翘曲，主要由芯片和基板以及扇出模块之间的 cte（热膨胀系数）不匹配引起，显示出更好的翘曲控制，并且所有封装都在组装前通过了开路/短路和功能测试，以及可靠性压力测试 jedec 条件。
但这仍然不简单。“当我设计 bga 基板时，铜平衡（copper balance）被敲打到我身上，以确保我们制作出良好的直板基板，”promex 的 greely 说。“现在，铜平衡是单个封装级别的问题，我将 7、10、12 个不同的器件放入不同的温度下，将它们贴附到基板上，我得到 12 到 14 微米从一个温度到另一个温度的翘曲变化。如果我有一个 50 毫米的基板，它有 250 微米的偏转，在室温下是凹面的，而在 300 度时则相反，现在它是凸面的。我正在尝试将一块漂亮的 25 微米背景硅放在那个东西上，并希望它在冷却回室温后保持一体。这可能是一个极端的例子，但这些都是严峻的挑战。”
热管理
在封装中，超过 90% 的热量通过封装从芯片顶部散发到散热器，通常是带垂直鳍片的阳极氧化铝基散热器。具有高导热性的热界面材料（tim）放置在芯片和封装之间以帮助传递热量。用于 cpu 的下一代 tim 包括金属板合金（如铟和锡）和银烧结锡，它们分别传导 60w/mk 和 50w/mk。
工程师和材料供应商继续探索替代 tim。amkor technology的高级机械工程师 nathan whitchurch 说：“过去稀有的材料正变得越来越稀有”. “因此，对于烧结银，您最终会在盖子和管芯之间形成导热性非常高的银合金基体。另一种是较软的 tim——铟基类型的东西。几年前，我们经常谈论相变材料。这似乎已经消失，因为人们意识到可靠性和优势并不存在。石墨垫之类的东西具有难以克服的工程挑战。单一方向上的石墨具有高导热性，但将其装入封装中是一项艰巨的挑战。所以这就是我们看到随着时间的推移，更奇特的材料变得不那么奇特的地方。”
先进封装中的芯粒通过焊料、微凸块、rdl 和混合键合进行电气互连。所有这些连接都需要在模块的使用寿命内保持可靠。随着封装类型的激增和压力更低的新工艺的出现，工程师们发现异构集成提供的灵活性可能值得所有挑战。
关于芯粒和异构集成的讨论通常不会提及该行业采用这种新范式的时间有多早。“ucie是一个非常好的开放标准，”ase 首席执行官 bill chen 说。“有些人跑得比标准还快。但随后会有用户的反馈。” 然后，该反馈循环将更深入地了解未来需要什么。此外，供应商-客户生态系统将了解哪种类型的异构集成、组装技术、流程、设计工具等最有效。这将是一个过程。
三星的 yoon 表示：“半导体才刚刚开始其芯粒和异构的旅程，因为设备缩放变得如此困难和昂贵，而且 ppac 正在随着每个先进节点而缩小。”“芯粒设计标准将变得更加普遍，将这些设备组合在一起的更可预测的方式将接管。但所有这一切都需要数年时间，需要收集大数据、合作伙伴之间的协作以及跨价值链实验来确定什么是有效的。”
具体设计
一、异构集成
异构集成，其全称为异构异质集成，含有异构和异质两重含义。 异构集成主要指将多个不同工艺单独制造的芯片集成到一个封装内部，以增强功能和提高性能，可以对采用不同工艺、不同功能、不同制造商制造的组件进行封装。例如下图所示：将7nm、10nm、28nm、45nm的chiplet通过异构集成技术封装在一起。
异质集成则是指将不同材料的芯片集成为一体，可产生尺寸小、经济性好、设计灵活性高、系统性能更佳的产品。 如下图所示，将silicon、gan、sic、inp生产加工的chiplet通过异质集成技术封装到一起，形成不同材料的半导体在同一款封装内协同工作的场景。
二、sip
sip system-in-package，是指在封装内形成一个系统，sip 关注系统在封装内的实现，所以系统是其重点关注的对象。
至于是否采用了先进封装工艺，并不是sip的关注重点，sip可能采用传统的wire bonding工艺，也可能采用flip chip工艺，当然，sip同样可能采用先进封装工艺。
随着系统对性能performance、功耗power、体积volume（可简称为ppv，和ic设计中的ppa相对应）的要求越来越高，集成密度的需求也越来越高，sip也会越来越多地采用先进封装工艺。
下图中对本文提到的chiplet、2.5d、3d、sip几个关键词进行了标识，供读者参考。chiplet/chip是封装中的单元，先进封装是由chiplet/chip组成的，2.5d和3d是先进封装的工艺手段，sip则指代的是完成的封装整体。
三、3d chiplet
另外，还有一个概念：3d chiplet，这个概念应该是amd在2021年6月份首先提出来的，应用在其3d v-cache上，将包含有64mb l3 cache的chiplet以3d堆叠的形式与处理器封装在了一起。
从结构上来讲，3d chiplet就是将chiplet通过3d tsv集成在一起。另外，为了提高互连密度，3d chiplet采用了no bump的垂直互连结构，因此其互连密度更高。
amd的3d chiplet工艺的实现是由tsmc代工的，tsmc称之为soic，属于其3d fabric的产品范畴，其鲜明的特点就是采用了no bump的高密度垂直互连结构，参看下图。
chiplet 市场格局
目前chiplet已经有少量商业应用，并吸引英特尔和amd等国际芯片厂商投入相关研发，在当前soc遭遇工艺节点和成本瓶颈的情况下有望发展成为一种新的芯片生态。 随着 chiplet 逐步发展，未来来自不同厂商的芯粒之间的互联需求持续提升。 2022年3月，chiplet的高速互联标准——ucie（universalchiplet interconnect express，通用芯粒互联技术）正式推出，旨在芯片封装层面确立互联 互通的统一标准，打造一个开放 性的 chiplet 生态系统。在解决chiplet 标准化方面具有划时代意义。 ucie联盟为chiplet制定了多种先进封装技术，包括英特尔emib、台积电cowos、日月光focos-b等。 ucle发起人为 intel、amd、arm、高通、三星、台 积电、日月光、google cloud、meta 和微软等十家公司。 ucie联盟致力于推行chiplet互联规范，当前联盟成员包括synopsys、cadence、adi、博通等国际龙头。 对于中国半导体而言，后摩尔时代 chiplet 是中国与国外技术差距相对较小的封装技术领域。
国内企业紧跟产业趋势，积极参与融入ucie大生态，有望在chiplet行业技术上乘势而上，实现突破。 国内企业中，芯原微电子、超摩科技、芯和半导体、芯耀辉、摩尔精英、灿芯半导体、忆芯科 技、芯耀辉、牛芯半导体、芯云凌、长鑫存储、超摩科技、希姆计算、世芯电子、阿里巴巴、oppo、爱普科技、芯动科技、蓝洋智能等多家国内企业已成为 ucie 联盟成员。
chiplet的现实意义：开启了ip新型复用模式
chiplet的实现开启了ip的新型复用模式，即硅片级别的ip复用。 不同功能的ip，如cpu、存储器、模拟接口等，可灵活选择不同的工艺分别进行生产，从而可以灵活平衡计算性能与成本，实现功能模块的最优配置而不必受限于晶圆厂工艺。 amd 公司是第一个引入小芯片架构的供应商。amd 在第三代锐龙（ryzen）处理器上复 用了第二代霄龙（epyc）处理器的 io chiplet，这种复用不但可以将“老旧制程”生 产的 chiplet 继续应用到下一代产品中以节约成本，更能极大地节约设计、验证和生 产周期并降低失败风险。 amd io chiplet 的复用：
就chiplet和半导体ip的联系而言，chiplet可以被看作是半导体ip经过设计和制程优化后的硬件化产品，其业务形成也从半导体ip的软件形式转向到chiplet的硬件形式。 半导体ip的市场参与者可大致分为两类：新思科技和cadence是与eda工具捆绑型的半导体ip供应商，生态链优势明显；其余是在细分领域提供专业的ip核厂商。 当前ip市场仍然被英美国家高度垄断，全球前3厂商是arm(英国)、synopsys（美国）和cadence（美国）。sst凭借着嵌入式非挥发性存储器异军突起，现在已经排到了全球第四。
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