小芯片（Chiplets）在半導(dǎo)體功能與生產(chǎn)效率上實(shí)現(xiàn)了巨大飛躍，這一變革恰似 40 年前

小芯片（Chiplets）在半導(dǎo)體功能與生產(chǎn)效率上實(shí)現(xiàn)了巨大飛躍，這一變革恰似 40 年前軟 IP 所引發(fā)的行業(yè)突破。但在這一愿景成真之前，仍有大量協(xié)同工作需要完成——構(gòu)建成熟的生態(tài)系統(tǒng)是核心挑戰(zhàn)，而當(dāng)前該生態(tài)系統(tǒng)尚處于初級(jí)階段。

如今，許多企業(yè)因受限于光罩尺寸，已被迫轉(zhuǎn)向多芯片解決方案，但這并未催生即插即用的小芯片市場(chǎng)。這些早期系統(tǒng)無需遵循統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)即可運(yùn)行，也并未追求一致的效益目標(biāo)。從設(shè)計(jì)本質(zhì)來看，它們?nèi)栽谘赜谩笜?gòu)建大型系統(tǒng)」的傳統(tǒng)思維。

西門子 EDA 公司 Tessent 芯片測(cè)試解決方案的可測(cè)試性設(shè)計(jì)（DFT）流程產(chǎn)品經(jīng)理 Vidya Neerkundar 指出：「小芯片的核心理念是『分而治之』。設(shè)計(jì)者能夠借此加速設(shè)計(jì)進(jìn)程，并享受高良率帶來的諸多優(yōu)勢(shì)。但當(dāng)你將系統(tǒng)分解時(shí)，必須同步應(yīng)對(duì)新的問題——解決一個(gè)問題的同時(shí)，必須應(yīng)對(duì)另一個(gè)新問題，不斷在追趕中突破技術(shù)瓶頸。」

行業(yè)對(duì)這些新問題的全面認(rèn)知仍在形成中。Marvell 公司技術(shù)副總裁兼定制解決方案首席技術(shù)官 Mark Kuemerle 表示：「我們掌握了標(biāo)準(zhǔn)小芯片的制造方法，典型案例是高帶寬內(nèi)存（HBM），這也是目前唯一的標(biāo)準(zhǔn)化小芯片產(chǎn)品，由 JEDEC 定義。該標(biāo)準(zhǔn)明確規(guī)定了『x、y 維度參數(shù)及連接方式，確保任何廠商均可制造與之通信的產(chǎn)品』。若要讓開放的小芯片市場(chǎng)發(fā)揮效能，必須建立同等嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)體系。這一看似基礎(chǔ)的概念，實(shí)則蘊(yùn)含重大變革意義。若能達(dá)成這一目標(biāo)，資源共享將成為現(xiàn)實(shí)；而當(dāng)這一理念延伸至 3D 領(lǐng)域，其影響力將更為驚人——若能將可能用于堆疊的串行器 / 解串器（SerDes）IP 占位面積標(biāo)準(zhǔn)化，或?yàn)闊o線、航空航天領(lǐng)域的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器制定統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)（只要有足夠多的企業(yè)愿意推動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一），設(shè)計(jì)者在構(gòu)建承載所有組件的基礎(chǔ)芯片時(shí)，即可鎖定基礎(chǔ)架構(gòu)，圍繞其模塊化搭建其他組件。這將為 3D 集成設(shè)計(jì)的普及奠定關(guān)鍵基礎(chǔ)。」

問題的關(guān)鍵在于需要凝聚足夠多的行業(yè)共識(shí)。弗勞恩霍夫 IIS 自適應(yīng)系統(tǒng)工程部門高級(jí)混合信號(hào)自動(dòng)化小組經(jīng)理 Benjamin Prautsch 表示：「當(dāng)下最大的挑戰(zhàn)是『行業(yè)的具體需求究竟是什么？』許多企業(yè)處于觀望狀態(tài)，等待其他參與者率先行動(dòng)。部分領(lǐng)先企業(yè)需要站出來，協(xié)調(diào)不同利益主體，嘗試提煉行業(yè)共性需求。換言之，答案的核心在于明確生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)技術(shù)發(fā)展的正確方向?！?/p>

這一過程可能比部分人預(yù)期的更漫長(zhǎng)。Cadence 公司 SSG 產(chǎn)品營(yíng)銷總監(jiān) Mayank Bhatnagar 指出：「相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)仍在持續(xù)演進(jìn)。像通用芯片互聯(lián) Express（UCIe）這類標(biāo)準(zhǔn)正獲得行業(yè)范圍內(nèi)的認(rèn)可，我相信其最終會(huì)取得成功，但距離真正落地仍需數(shù)年時(shí)間。保守估計(jì)，未來 3 到 5 年內(nèi)難以實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)小芯片的大規(guī)模應(yīng)用可能要等到 2030 年代?！?/p>

小芯片所需的標(biāo)準(zhǔn)

封裝、測(cè)試、設(shè)計(jì)、功能通信、實(shí)現(xiàn)級(jí)互連等領(lǐng)域均需標(biāo)準(zhǔn)化體系，而當(dāng)前各企業(yè)仍沿用自有標(biāo)準(zhǔn)。Ansys 公司產(chǎn)品營(yíng)銷總監(jiān) Marc Swinnen 坦言：「當(dāng)下各種技術(shù)百花齊放。但設(shè)計(jì)者面臨現(xiàn)實(shí)困境：該選用何種封裝技術(shù)？市場(chǎng)上存在太多差異化方案，每家 OSAT 廠商都有其技術(shù)特色及變體，但并非所有技術(shù)都能成為主流。該市場(chǎng)終將經(jīng)歷一輪技術(shù)洗牌——沒有企業(yè)愿意押注錯(cuò)誤技術(shù)，被困在無人問津的小眾方案中，因此行業(yè)整合勢(shì)在必行?！?/p>

封裝技術(shù)正逐步向半導(dǎo)體行業(yè)的規(guī)范性靠攏。Synopsys 公司工程副總裁 Abhijeet Chakraborty 表示：「以中介層為例，頂級(jí)晶圓廠與 OSAT 廠商對(duì)中介層的規(guī)則和技術(shù)參數(shù)定義存在差異，而這些是使用中介層組裝芯片的必需條件。目前各廠商采用不同的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)與開發(fā)范式，若能實(shí)現(xiàn)規(guī)范化，將極大地推動(dòng)產(chǎn)業(yè)進(jìn)步。我們正身處一場(chǎng)激動(dòng)人心的變革之中——從晶圓廠到垂直整合企業(yè)的架構(gòu)師，再到 EDA 與標(biāo)準(zhǔn)化領(lǐng)域，整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)都在攻克一系列關(guān)鍵問題。盡管變革速度迅猛且涉及面廣，但在找到真正適用于 3D-IC 開發(fā)的可擴(kuò)展解決方案之前，這些探索都是必要的鋪墊?！?/p>

盡管每項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)都可能帶來局部?jī)?yōu)化，但關(guān)鍵是要形成規(guī)模效應(yīng)。Marvell 公司的 Kuemerle 強(qiáng)調(diào)：「英特爾成立 UCIe 聯(lián)盟時(shí)，行業(yè)曾寄予厚望，認(rèn)為憑借芯片間接口標(biāo)準(zhǔn)，小芯片將迎來爆發(fā)式增長(zhǎng)，但實(shí)際進(jìn)展有限。根源在于，除接口標(biāo)準(zhǔn)外，還需解決測(cè)試等諸多復(fù)雜問題——必須明確如何讓小芯片實(shí)現(xiàn)高效通信，以確保測(cè)試覆蓋的完整性。」

相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)已進(jìn)入制定階段。西門子的 Neerkundar 介紹：「回溯至 20 世紀(jì) 90 年代，IEEE1149.1 標(biāo)準(zhǔn)定義了芯片與電路板的連接方式，并衍生出邊界掃描描述語言（BSDL）。如今，IEEE 1838 標(biāo)準(zhǔn)提出了 PTAP-/STAP 類型機(jī)制，規(guī)范了如何在 3D-IC 堆疊及 2.5D 封裝中應(yīng)用該機(jī)制。其他標(biāo)準(zhǔn)也在同步推進(jìn)：IEEE 標(biāo)準(zhǔn) P3405 聚焦互連測(cè)試與修復(fù)，明確了自主設(shè)計(jì)產(chǎn)品的技術(shù)路徑；P1838A 標(biāo)準(zhǔn)從 3D-IC 視角定義了邊界掃描接口?！?/p>

標(biāo)準(zhǔn)化需求清單仍在持續(xù)擴(kuò)展。Ansys 公司產(chǎn)品經(jīng)理 Takeo Tomine 舉例：「在靜電放電（ESD）領(lǐng)域，我們遵循 IEC 61000 標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)涵蓋機(jī)器模型、人體模型、充電設(shè)備模型等電氣規(guī)范。從芯片到模塊再到系統(tǒng)，所有電氣人員都需遵循這一指南，晶圓廠也據(jù)此制定設(shè)計(jì)規(guī)則手冊(cè)，確保技術(shù)參數(shù)符合標(biāo)準(zhǔn)要求?！?/p>

標(biāo)準(zhǔn)制定通常會(huì)規(guī)避行業(yè)方向不明確的領(lǐng)域。Cadence 公司的 Bhatnagar 解釋：「標(biāo)準(zhǔn)不會(huì)定義高度差異化的技術(shù)細(xì)節(jié)。以 UCIe 為例，其未規(guī)定通道的具體實(shí)現(xiàn)方式——作為創(chuàng)始成員的英特爾擁有嵌入式多芯片互連橋（EMIB）技術(shù)，但標(biāo)準(zhǔn)并未強(qiáng)制要求使用特定技術(shù)，僅定義了電壓傳遞函數(shù)（VTF）、串?dāng)_規(guī)范等通道特性。我們已看到，部分新開發(fā)的通道雖滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但其技術(shù)實(shí)現(xiàn)與最初設(shè)想大相徑庭?！?/p>

仍有一些技術(shù)難題在等待破解。NHanced 公司總裁 Robert Patti 指出：「物理接口的標(biāo)準(zhǔn)化面臨限制——我們可以定義電源、接地、間距等物理參數(shù)，但無法統(tǒng)一電壓標(biāo)準(zhǔn)?？稍诿總€(gè)微型單元內(nèi)設(shè)計(jì)電源環(huán)，單元內(nèi)及層間布置信號(hào)線路。就電源等物理要求達(dá)成共識(shí)具有可行性，但邏輯協(xié)議層面，各企業(yè)仍堅(jiān)持自有版本。若要求在兩組電路間疊加特定邏輯協(xié)議，設(shè)計(jì)者往往不愿為此增加時(shí)間延遲、同步機(jī)制、電路成本，更不希望犧牲功耗效率?！?/p>

這引出了一個(gè)核心矛盾。弗勞恩霍夫的 Prautsch 直言：「行業(yè)的訴求是制定盡可能統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)不接受任何額外開銷，這是當(dāng)前面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)?！?/p>

與軟 IP 的發(fā)展路徑類似，小芯片需要完善的可交付成果體系以實(shí)現(xiàn)成功集成。西門子中央工程解決方案總監(jiān) Pratyush Kamal 提出疑問：「我們需要何種模型？行業(yè)正試圖填補(bǔ)巨大的技術(shù)鴻溝。臺(tái)積電開發(fā)了 3D Blocks 語言，并嘗試在 IEEE 框架內(nèi)公開；開放計(jì)算項(xiàng)目（OCP）也在推進(jìn)類似工作，但尚未完全定義所有必需內(nèi)容。以跨越兩個(gè)芯片的混合信號(hào)電路 3D IC 為例，當(dāng)交付具有物理形態(tài)的小芯片時(shí)，仍需提供與整個(gè)堆疊相關(guān)的 SPICE 網(wǎng)表以支持完整仿真。多數(shù)情況下，小芯片集成時(shí)設(shè)計(jì)者更關(guān)注接口邊界，而非內(nèi)部細(xì)節(jié)，但部分分析仍需向組裝商與封裝設(shè)計(jì)師開放小芯片的完整視圖。」

小芯片給組織帶來挑戰(zhàn)

為迎接基于小芯片的生態(tài)系統(tǒng)，企業(yè)必須開展組織架構(gòu)變革。Ansys 公司的 Swinnen 觀察到：「多數(shù)大型企業(yè)已啟動(dòng)相關(guān)項(xiàng)目加速 3D-IC 研發(fā)，但需要進(jìn)行組織重組——封裝、熱管理、可靠性、芯片設(shè)計(jì)分屬不同團(tuán)隊(duì)，而 3D-IC 開發(fā)要求這些團(tuán)隊(duì)在原型階段就緊密協(xié)作。當(dāng)前企業(yè)的組織架構(gòu)尚未為此做好準(zhǔn)備，需要對(duì)團(tuán)隊(duì)架構(gòu)與管理職責(zé)進(jìn)行內(nèi)部調(diào)整，以整合必要的專業(yè)資源?！?/p>

研發(fā)流程也必須同步革新。Bhatnagar 強(qiáng)調(diào)：「在布局規(guī)劃階段，就需考慮將功能分配至多個(gè)芯片，層次化劃分邏輯正在發(fā)生根本性變化——若不提前規(guī)劃，可能導(dǎo)致無法利用舊工藝節(jié)點(diǎn)優(yōu)勢(shì)，或面臨芯片間超高帶寬需求等問題，而這些問題可通過更合理的布局規(guī)劃與功能劃分規(guī)避。層次化設(shè)計(jì)時(shí)，必須建立正確的思維邏輯，這將直接影響芯片間數(shù)據(jù)傳輸量、發(fā)熱效率、布局間距及延遲容忍度，唯有通過細(xì)致的架構(gòu)規(guī)劃，才能將潛在風(fēng)險(xiǎn)降至最低?！?/p>

測(cè)試環(huán)節(jié)受到顯著影響。Neerkundar 指出：「組裝后測(cè)試已不可行，必須在組裝前確保部件質(zhì)量——需要在晶圓級(jí)別進(jìn)行測(cè)試，這意味著芯片必須具備某種接觸機(jī)制。盡管堆疊在組件頂部的芯片引腳不會(huì)作為封裝引腳引出，但在晶圓分選時(shí)，仍需通過這些接觸機(jī)制實(shí)現(xiàn)通信。行業(yè)將其稱為『犧牲焊盤』，即采用常規(guī) C4 凸塊或標(biāo)準(zhǔn)凸塊間距用于連接與接觸，這些凸塊高度高于組裝后使用的微凸塊。測(cè)試需分兩步完成：晶圓分選時(shí)通過犧牲焊盤與標(biāo)準(zhǔn)凸塊測(cè)試，組裝完成后通過微凸塊重新測(cè)試。」

行業(yè)生態(tài)本身也需要組織化協(xié)同。Kuemerle 強(qiáng)調(diào)：「若想推動(dòng)特定應(yīng)用落地，必須凝聚足夠多企業(yè)的共識(shí)——假設(shè)八家企業(yè)（四家用戶與四家開發(fā)商）圍繞某類 3D 小芯片，在標(biāo)準(zhǔn)組織中用三年時(shí)間就占位面積、電源傳輸、信號(hào)引腳、數(shù)據(jù)速率等細(xì)節(jié)達(dá)成一致，該標(biāo)準(zhǔn)才可能成功落地。內(nèi)存領(lǐng)域已驗(yàn)證這一模式，其他應(yīng)用領(lǐng)域亦可效仿?！?/p>

工具和流程

當(dāng)前，異構(gòu)集成主要由垂直整合企業(yè)主導(dǎo)，這有其必然性。Kuemerle 解釋：「此類設(shè)計(jì)面臨諸多復(fù)雜性，當(dāng)我們開展基于小芯片或 3D 項(xiàng)目時(shí)，需構(gòu)建專屬的完整驗(yàn)證環(huán)境。若掌握項(xiàng)目所有輸入條件，便可確保實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)及組件間功能協(xié)同。盡管有工具正在開發(fā)中，但尚無任何工具能實(shí)現(xiàn)無縫集成，仍需構(gòu)建定制化環(huán)境以支持并行開發(fā)。物理實(shí)現(xiàn)環(huán)節(jié)同樣如此：必須反復(fù)驗(yàn)證芯片間匹配性，確?；A(chǔ)芯片與中間芯片能為頂層芯片提供所需資源，工具可提供輔助，但仍需實(shí)施額外的定制化檢查以保障成功。」

當(dāng)所有組件協(xié)同設(shè)計(jì)時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)化流程才有構(gòu)建可能。Rapidus 設(shè)計(jì)解決方案現(xiàn)場(chǎng)首席技術(shù)官 Rozalia Beica 表示：「多芯片集成依賴系統(tǒng)級(jí)協(xié)同設(shè)計(jì)，需要熱模型、電源模型、互連模型的深度融合。這些模型可實(shí)現(xiàn)小芯片、封裝、基板的同步設(shè)計(jì)與集成，確保精準(zhǔn)的熱管理、電源管理及可靠的芯片間通信?！?/p>

當(dāng)前，這些芯片的設(shè)計(jì)尚未形成標(biāo)準(zhǔn)流程。NHanced 公司的 Patti 透露：「我們擁有大量從事 3D 設(shè)計(jì)的客戶，他們均采用自主開發(fā)模式。雖使用標(biāo)準(zhǔn)工具，但核心環(huán)節(jié)依賴手工操作——編寫腳本、臨時(shí)制定冗余方案、自主決定部件篩選標(biāo)準(zhǔn)以確保芯片質(zhì)量。所有操作均基于 EDA 工具，但本質(zhì)上仍沿用 2D 工具邏輯，且高度依賴機(jī)構(gòu)內(nèi)部的經(jīng)驗(yàn)法則。當(dāng)前 EDA 工具的主要應(yīng)用場(chǎng)景集中在高性能計(jì)算（HPC）復(fù)合體與加速器領(lǐng)域，這些領(lǐng)域均聚焦 UCIe 接口，雖形成一定標(biāo)準(zhǔn)化趨勢(shì)，但客戶群體仍相對(duì)小眾?！?/p>

若要進(jìn)入開放的小芯片經(jīng)濟(jì)，必須打破現(xiàn)有產(chǎn)業(yè)鏈的強(qiáng)耦合關(guān)系。Synopsys 公司的 Chakraborty 指出：「當(dāng)整合來自不同供應(yīng)商的小芯片時(shí)，必須開展系統(tǒng)級(jí)分析——需要芯片熱模型、功耗模型（用于 IR 與 EMIR 分析），以及熱機(jī)械應(yīng)力分析模型。這些分析無法在單一芯片級(jí)別完成，那么問題來了：當(dāng)混合匹配不同供應(yīng)商的芯片與解決方案時(shí)，如何實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)分析？安全性同樣關(guān)鍵，尤其是復(fù)用其他供應(yīng)商的小芯片時(shí)，如何確保芯片的安全性與完整性？所有這些要素都必須以可靠的方式整合，缺一不可?！?/p>

行業(yè)必須明確小芯片供應(yīng)商的信息披露邊界——哪些信息必須提供，哪些可以保留。Bhatnagar 表示：「我們已開發(fā)出部分模型，可在不泄露凸塊下方設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)的前提下，定義每個(gè)凸塊的 IR 壓降。與任何 IP 一樣，企業(yè)始終擔(dān)心模型泄露核心技術(shù)，同時(shí)要求模型具備足夠精度。初期，企業(yè)將在封閉生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)合作，依賴合作伙伴的技術(shù)信任，將模型用于既定用途。隨著模型成熟，其將在細(xì)節(jié)精度與技術(shù)保密之間找到平衡——正如供需關(guān)系原理，模型生成與消費(fèi)將同步發(fā)展。這正是我認(rèn)為小芯片市場(chǎng)不會(huì)在 3 到 5 年內(nèi)成型的原因：并非企業(yè)缺乏技術(shù)能力，而是生態(tài)系統(tǒng)的信任構(gòu)建需要時(shí)間沉淀。」

目前，行業(yè)尚未形成必要文件與模型的完整清單。Prautsch 坦言：「我們正在梳理工具與接口文件格式清單，即便如此，仍需不斷發(fā)現(xiàn)合作伙伴間設(shè)計(jì)交付時(shí)可能出現(xiàn)的挑戰(zhàn)。核心矛盾在于接口兼容性，封裝設(shè)計(jì)公司與芯片設(shè)計(jì)公司必須深度審視彼此的設(shè)計(jì)領(lǐng)域，建立跨領(lǐng)域協(xié)同框架。」

變革雖慢，但正在匯聚勢(shì)能。Neerkundar 總結(jié)：「不能孤立看待工具或標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展，二者必須協(xié)同演進(jìn)——需要標(biāo)準(zhǔn)化體系與支撐標(biāo)準(zhǔn)落地的工具鏈。唯有如此，行業(yè)才能真正實(shí)現(xiàn)『設(shè)計(jì)小芯片、采購(gòu)小芯片、獨(dú)立于供應(yīng)商完成組裝，并制造獨(dú)特產(chǎn)品』的目標(biāo)。如今，我們尚未抵達(dá)終點(diǎn)，但前進(jìn)的方向已然清晰?！?/p>