Chiplet芯片的电源完整性和信号完整性设计：挑战与解决方案

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@小白创作中心

Chiplet芯片的电源完整性和信号完整性设计：挑战与解决方案

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CSDN

https://blog.csdn.net/sinat_30055139/article/details/145788940

Chiplet架构通过将多个小芯片集成在一个封装中，带来了性能和成本的优化，但同时也带来了电源完整性和信号完整性方面的挑战。本文从电源完整性和信号完整性两个维度，深入探讨了Chiplet设计中的关键技术和解决方案。

Chiplet是一种将多个小芯片（die）通过先进封装技术集成在一起的架构，比如Intel的EMIB或者台积电的CoWoS。这种设计可以提高良率、降低成本，并允许异构集成。不过，这也带来了电源和信号完整性方面的挑战。

首先，电源完整性（PI）。在传统的单芯片设计中，电源分布网络（PDN）设计已经比较复杂了，但Chiplet中多个小芯片集成在一个封装里，可能使用不同的工艺节点，每个小芯片的功耗和电压需求可能不同。此外，供电路径可能更长，寄生参数更多，导致电压降（IR Drop）和电源噪声问题更严重。这时候需要考虑封装基板的电源分布、去耦电容的布局、各Chiplet之间的电源传输以及同步开关噪声（SSN）等问题。

然后是信号完整性（SI）。Chiplet之间通过高密度互连，如硅中介层或再分布层（RDL）连接，信号速率可能很高，比如56Gbps或更高。这会带来串扰、反射、损耗等问题。同时，不同Chiplet之间的接口标准可能不同，需要保持信号时序的一致性和正确的阻抗匹配。此外，3D堆叠结构中的TSV（Through-Silicon Via）也可能引入寄生电容和电感，影响信号质量。

随着技术的演进，chiplet似乎成了高性能追求的技术辅助，那电源和信号完整性如何应该追求高性能下的挑战呢?总体的思路是，对于电源完整性而言，要充分分析每个Chiplet的功耗需求，包括静态和动态功耗。然后设计全局的PDN，考虑封装和PCB的供电路径，可能使用多层电源和地平面，并合理放置去耦电容。此外，不同Chiplet可能处于不同的电压域，需要电压调节模块（VRM）的位置和效率，以及可能的电压岛设计。同时，高频下的电源噪声抑制需要足够的去耦电容和优化的电源路径阻抗。

而对于信号完整性方面，需要分析互连结构的特性，如传输线的阻抗控制、介电材料的损耗、趋肤效应等。对于高速信号，可能需要使用差分对、预加重、均衡等技术来补偿损耗和减少码间干扰。串扰问题则需要通过合理的布线间距和屏蔽措施来缓解。同时，时序分析变得复杂，因为不同Chiplet之间的时钟域可能不同，需要严格的时序预算和同步机制。

除上之外，热管理也是一个重要因素，因为温度变化会影响导体的电阻和介电常数，进而影响电源和信号完整性。例如，高温可能导致电压降增加，或者信号传输延迟变化。

设计流程上，可能需要使用EDA工具进行协同仿真，将芯片、封装和PCB的模型结合起来，进行全路径的电源和信号完整性分析。这需要准确的模型，如芯片的电流模型、封装的S参数模型等。此外，测试和验证也更具挑战性，因为封装后的调试和测量可能更加困难，需要依赖仿真和设计阶段的充分验证。

总结起来，设计Chiplet的PI/SI需要综合考虑供电网络设计、互连优化、材料选择、热管理、协同仿真和多物理场分析等多个方面。需要跨芯片、封装和系统的协同设计，以及先进的建模和仿真技术来确保设计的可靠性。下面将从关键考虑点和设计策略两方面进行深入分析：