Chiplet技术的优势和挑战

本文由半导体产业纵横（ID：ICVIEWS）综合

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易于扩展、更快创新和成本效益都是芯片组的优势，同时还增强了功能和性能效率。

根据 IDTechEx 最近发布的一份报告，利用小芯片技术可以实现更小、更紧凑且结构简化的设计，该报告与竞争性半导体设计及其最适合的应用相比，阐述了开发小芯片技术的优势和挑战。

芯片组使 GPU、CPU 和 IO 组件小型化，以适应越来越小巧紧凑的设备和硬件，并可以将各种功能集成到更简化、统一的设计中。易于扩展、更快创新和成本效益都是芯片组的优势，同时还增强了功能和性能效率。

来源：IDTechEx

与单片 SoC 和多芯片 SiP 相比，小芯片的开发速度更快，而且可以大量重复使用。它们还有望实现单片设计无法实现的新功能，尤其是在人工智能、物联网和先进计算系统等领域。

然而，尽管小芯片可广泛应用于智能手机、汽车系统、高性能计算 (HPC)、数据中心和云计算，但它们并非旨在取代性能效率更高的单片 SoC。

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半导体制造工艺

未来半导体节点将逐渐变小，通过增加组件密度和功能密度，可能有助于改善芯片和单片设计。单片集成目前因其性能质量和能效而广泛应用于 HPC，而芯片可以使用不太先进的节点来制造专用组件，从而降低成本并缩短上市时间。

IDTechEx 预测的另一个未来趋势是先进的 3D 堆叠，通过这种技术可以改善芯片和单片设计的互连性和热管理，从 2D 结构转向 3D 结构，从而实现更紧凑、更高性能的系统。

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Chiplet技术解决的问题

Chiplet技术通过将一个大的芯片分解成多个小的模块（即Chiplet），然后通过高速互连技术将它们组合起来，以实现整个芯片的功能。

与传统单片系统相比，具有以下优点：

可重新使用的知识产权：同一个chiplet可以在许多不同的设备中使用。

更快的上市时间：由于小芯片可以独立设计和制造，因此可以采用更加模块化的 IC 设计方法。这可以加速开发过程，从而加快新产品的上市时间。

设计灵活性和可扩展性：Chiplet设计允许通过组合不同的模块来快速实现不同的功能，极大地提高了设计的灵活性和产品的可扩展性。

提高制造良率：与单片芯片相比，小芯片尺寸更小，可以带来更高的制造良率。如果小芯片在制造过程中出现故障，可以在不丢弃整个芯片的情况下进行更换，从而减少浪费和成本。

多芯片（chiplet）设计导致额外面积增加主要是因为需要额外的互连区域、每个芯片的封装边界、可能的冗余设计元素以及布局和功率分配的考虑。尽管这会带来一定的面积和成本增加，但通过显著提高良率、降低单芯片复杂性和增加设计灵活性，多芯片设计在总体上能有效降低生产成本并提升生产效率，为满足快速变化的市场需求提供了一种有效的策略。

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Chiplet技术趋势

实现通用互连标准可实现不同制造商的芯片之间的互操作性，并提高其使用灵活性。随着美国、中国、德国和日本等国家对芯片的兴趣日益浓厚，这一点将尤为有用。芯片设计交易所 (CDX) 正在努力实现芯片设计的开放格式，以克服标准化方面的挑战，这对于促进芯片在各个领域的更广泛采用是必不可少的。

芯片之间的通信对于实现互连和可靠性也至关重要。IDTechEx 报告称，目前正在开发多种技术来实现这些目标，包括通用芯片互连快递 (UCIe) 和线束 (BoW)。

新的测试方法正在涌现，以应对与芯片技术相关的挑战。IDTechEx 强调使用可测试设计 (DFT) 和内置自测试 (BIST) 策略作为测试芯片的经济可行解决方案。这些方法有助于克服测试互连芯片的复杂性，通过直接在芯片设计中实现故障检测、诊断和优化，减少对外部测试设备的依赖。此外，正在开发分层测试和芯片间通信测试等先进技术，以确保跨芯片接口的全面测试覆盖。

虽然测试策略侧重于确保功能性和可靠性，但铜混合键合等键合方法的进步正在彻底改变芯片集成。铜混合键合消除了传统的焊料凸块，实现了超细间距连接，并提高了电气和热性能。这种键合技术支持更高的互连密度并降低寄生电阻，使其成为紧凑型高性能芯片系统的关键推动因素。