Chiplets—重新定义芯片系统设计（chiplets技术详解）
Chiplets—重新定义芯片系统设计（chiplets技术详解）
Chiplet是一种新兴的半导体设计和封装技术，它涉及将一个大的系统芯片（SoC）分解为更小的、功能特定的模块，这些模块被称为“小芯片”或“芯粒”（Chiplets）。每个Chiplet可以被设计和制造为执行特定的任务，并且可以使用先进的封装技术将它们互连在一起，形成一个完整的系统。
1. 为什么需要Chiplets技术？传统芯片系统的问题和痛点
随着半导体技术的不断发展和市场需求的不断增长，芯片系统设计领域正在迎来一场革命性的变革。芯片设计越来越复杂，芯片的规模越来越大，这导致了以下几个主要问题：
成本：随着半导体工艺节点的不断缩小，制造成本急剧上升。Chiplets技术通过分解大型SoC为更小、更经济的模块，可以降低单个芯片的制造成本。
设计复杂性：随着芯片功能的增加，设计变得越来越复杂，需要更多的时间和专业知识。
制造成本：先进工艺节点的芯片制造成本非常高，对于许多公司来说，这是一个重大的经济负担。
良率问题：随着芯片尺寸的增加，良率往往会下降，导致成本增加。
热管理：高性能SoC产生的热量越来越多，热管理成为设计中的一个重要问题。
可扩展性差：一旦SoC设计完成，对其进行修改或扩展非常困难和昂贵。
验证挑战：验证大型SoC的功能和性能需要大量的时间和资源。
集成难度：随着芯片集成度的提高，不同功能模块的集成变得越来越困难。
2. 什么是Chiplets和基于Chiplets的系统？
Chiplet是一种新兴的半导体设计和封装技术，它涉及将一个大的系统芯片（SoC）分解为更小的、功能特定的模块，这些模块被称为“小芯片”或“芯粒”（Chiplets）。每个Chiplet可以被设计和制造为执行特定的任务，并且可以使用先进的封装技术将它们互连在一起，形成一个完整的系统。
由于不同的芯片不需要一样的制程工艺，只需要保证接口一致即可，保证了设计的灵活性。比如下面这个案例，封装了3个不同工艺的芯片，同时存在16nm, 20nm和40nm的芯片，包括12寸和8寸wafer的情况。
Chiplets技术随着高级互连和封装技术的日趋成熟，尤其是foundry的工艺提升对性能和功耗的影响越来越小，人们对chiplets的关注越来越大。Chiplets可以被理解成是经过设计和制造工艺优化的专用硅块或IP块。这使得它们可以被设计得尽可能小，从而增加其产量并最小化成本。
比如下图的案例：
当下，半导体行业正经历系统设计新范式的转变：传统的单片SoC电子系统设计思路正逐渐转变为使用chiplets（即“小芯片”）和高级封装技术的多芯片设计方法。
基于Chiplets的系统：
基于Chiplets的系统是指使用Chiplet技术构建的完整电子系统。这种系统通过将多个Chiplets集成在一个封装内，利用先进的封装技术（如2.5D或3D封装）来实现。
3. Chiplets技术的优势有哪些
Chiplet的关键优点如下：
提高良率，成本低：较小的Chiplets通常具有比大尺寸SoC更高的制造良率，因为小尺寸芯片的缺陷密度较低。上图中AMD的案例能很明显的说明这个问题。同时，Chiplets技术可以利用已有的成熟芯片设计和制造技术，避免重复投资。
模块化设计：Chiplet允许设计者将不同的功能模块分开设计和制造，每个模块可以针对其特定功能进行优化。就像搭建积木一样，Chiplets允许设计师根据特定应用需求选择和组合不同的模块，提高了设计的灵活性和可定制性。这中间只要定义好die to die的接口即可
快速迭代：传统的单一硅片设计方法需要长时间的研发和验证周期。而采用Chiplets技术，设计人员可以并行开发和验证不同的功能单元，加快了产品从设计到市场的速度。就像搭建积木一般，只要保证接口位置一样就行。
异构集成：Chiplets可以集成不同类型的处理器核心、存储器、输入/输出（I/O）接口等，这些模块可以采用不同的工艺技术制造，为实现异构计算提供了可能。
可扩展性：随着技术的进步，新的功能单元可以轻松地集成到现有的芯片系统中，从而实现系统的扩展和升级。允许系统根据需要进行扩展，增加了产品的生命周期和适应性。
性能提升：Chiplets可以支持更高的性能，因为它们可以通过高速互连技术紧密集成，减少通信延迟。同时，Chiplets技术允许设计人员针对不同的功能单元选择最适合的制程技术和材料，从而实现性能的优化和功耗的降低。
通过选择性及匹配chiplets，我们可构建出满足所需要求的高性能系统。这种新的设计方法类似于用IC设计PCB，因此需要 “系统设计” 而非SoC IC设计方面的专业知识。基于chiplets的系统可以从根本上实现单片SoC方法所无法实现的不同衬底材料和工艺技术（Si, InP, GaAs, SiGe, GaN等）的异质集成，这为当今的电子系统提供了所需的优势。
4. 两个指标
半导体技术好不好，有一个很简单的指标就是单位瓦特耗电量性能是多少？Performance/Watt or Performance/$
另一个衡量的维度就是单位价格性能是多少？以上两点，是客户最为关心的指标，归根到底就是希望花最少的钱能实现最优的性能。
而这两个指标，无疑chiplets更有优势。从前面的图片中，不难分析得到这个结论。
5. Chiplets的技术实现问题，难点
尽管Chiplets技术带来了诸多优势，但也面临着很多挑战，包括芯片之间的通信和互操作性、封装技术的发展等，概括来说主要挑战：
对先进封装技术的需求：Chiplet技术依赖于先进的封装技术来实现多个Chiplet之间的高速互连。包括2.5D、3D封装技术，以及中介层（Interposer）的使用。这些技术需要能够提供足够的I/O密度和信号完整性，同时还要管理热效应和电磁干扰。
统一接口和标准：不同厂商生产的Chiplet需要能够兼容并协同工作，这就需要统一的接口和通信标准。目前，业界正在努力制定通用的Chiplet互连标准，如UCIe（Universal Chiplet Interconnect Express）。
EDA工具链：现有的EDA工具主要是为单片SoC设计的。Chiplet技术需要新的EDA工具来支持从架构探索、设计、互连建模到协同仿真的全过程。
测试和验证：Chiplet增加了测试的复杂性，因为每个Chiplet都需要单独测试，而且最终组装后的系统也需要进行全面测试。这不仅增加了测试成本，也提高了测试技术的要求。
热管理：随着芯片性能的提升，散热问题变得越来越重要。Chiplet由于集成度高，可能会产生更多的热量，因此需要有效的热管理方案。
可靠性：Chiplet技术需要保证长期的可靠性。由于Chiplet之间通过互连进行通信，任何互连的失效都可能导致整个系统的故障。同时，理论上更复杂的系统出问题的概率越大。
良率问题：尽管Chiplet可以提高单个模块的良率，但如果任何一个Chiplet存在缺陷，都可能导致整个系统的失效，这就需要更高的质量控制标准。
生态系统建设：Chiplet技术的成功实施需要一个完整的生态系统，包括设计、制造、封装、测试等各个环节的紧密合作。
成本问题：虽然Chiplet可以降低单个模块的成本，但整体系统的封装和测试成本可能会增加，需要进行仔细的成本效益分析。
异构集成技术：Chiplet技术支持将不同工艺节点、不同功能的Chiplet集成在一起，这需要解决不同工艺之间的集成和匹配问题。
总结来说，Chiplets是一个非常有前景，但也存在诸多挑战的技术。能实现，但如果降低成本，极致压榨性能是值得思考的问题。