EDPS:当芯片成为3D系统和3DHI的挑战

保罗McLellan

Cadence的John Park在最近的EDPS上做了一个演讲。不像Cadence的大多数人，他们的背景不是IC设计就是PCB设计，John有包装背景。在过去几年里，这一直是一个相对沉寂的死水，但突然之间，它成为了半导体领域最热门的话题之一。他的演讲是关于3DHI或3D异构集成的挑战。

EDPS是IEEE电子设计过程研讨会。这是在蒙特雷举行了多年的会议，那是一个很好的地点，可以看到太平洋(也许还有海豚)。但相对而言，让硅谷的与会者开车过来并要求入住酒店是比较困难的。所以会议改在米尔皮塔斯的SEMI举行。我只能参加第一天和第二天的主题演讲。这一周的会议实在太多了，周一是Samsung Foundry Forum，周二是Samsung SAFE，周三是PCB West，周四和周五是EDPS。

事实上，我最近已经讨论了这个话题很多，特别是自从今年的HOT CHIPS有了这么多的例子之后。看我的帖子:

这一切的主要驱动力是经济，但全面的分析需要大量的定价信息，而这些信息并不容易获得，而且一直在变化。最明显的是给定尺寸的模具在给定过程中的成本，以及不同的多模具包装技术的成本。只是在过去的几年里，3D包装技术已经达到了足够的数量，他们似乎已经变得足够经济，可以更广泛地使用。晶圆成本随着每个工艺节点的增加而上升，这意味着在单个封装中使用大型SoC和使用多个模之间的平衡已经发生了变化，并且还在继续发生变化。

John Park的开场幻灯片总结了目前的情况。

仅仅遵循摩尔定律不再是最好的技术和经济发展道路。

成本的一个主要驱动因素是成品率，大模具的成品率根本比不上两个(或更多)小模具在相同面积上的成品率。这是由于一个事实，一个大的模具更难逃脱每个缺陷的晶圆。另一个重要的驱动力是通过在不同的过程中使用不同的模(如模拟和射频)来优化设计的能力，保留最先进的节点只用于可以从中受益的数字逻辑。另一个挑战是将足够多的电子元件植入外形非常小的设备中，比如智能手表。例如，它们可能有垂直的空间，但没有水平的空间。

从片上系统到异构集成的过渡实际上有两个方向。一种是从PCB上的大量封装转移到将封装中的模具放入单个多芯片设计中。这种方法的优点是占用空间更小，PCB更简单，带宽I/O更高，功耗更低。

另一个方向是把一个大的SoC，并把它分解成单独的模具，分别制造，然后在一个单一的包装一起。这种方法具有更低的NRE成本，更短的上市时间，比十字线尺寸更大的设计能力，以及更灵活的IP使用模式。

当然，这并不新鲜。30多年来，我们一直在生产各种形式的多芯片模块(mcm)。但它们价格昂贵，通常只用于建造雷达等特殊用途。现在有了更丰富的技术组合(见上图)。左边是包装技术，可以使用“普通”模具，意味着模具没有任何通过硅孔(tsv)。右边是硅堆积技术，使用直接铜对铜的连接，没有任何碰撞。中间是2.5D中间层上的模具混合物，或称为扇出晶圆级封装(FOWLP)的超高密度封装。图的左右两边在设计的方式上有很大的不同。

3D封装(与硅封装相比)使用基于焊锡的连接(凸包)，每个模具独立设计，信号通过I/O缓冲器完成，与PCB上的封装方式类似。另一方面，硅堆叠具有无焊锡连接，设计是一个单独的RTL，在物理实现过程中进行分区。

约翰一段时间以来一直在宣扬的信息之一是组装设计套件或ADKs的必要性。这相当于我们在集成电路设计中所熟悉的pdk。从历史上看，osat要么没有披露，要么不愿披露包装设计者要求的所有数据。但代工厂多年来一直存在这个问题，需要提供pdk，但大部分原始数据是机密的。如果芯片的“零售”市场将要出现，我们需要更多的标准化(比如UCIe或OpenHBI)。今天，除了HBM(高带宽内存)的一些使用外，多芯片设计是由一个公司创建的，该公司设计所有的芯片，使它们要么在单一设计中协同工作，要么允许芯片在具有不同功能(例如性能、价格等)的许多不同设计中配置。

在设计方面，意味着用几个或多个模具设计整个系统，最大的需求是为整个3d ic有一个公共数据库:芯片、芯片、贴片、包装、PCB，甚至可能是连接器和背板。这些设计显然可以非常大，有数十亿甚至数百亿个实例(当然，更大的设计一直都在出现)。John保持了他的演示的通用性，而不是删除所有的Cadence产品名称，并使用上面的图表显示了在进行这些设计中可能涉及的大量工具。

但我有一个秘密的解码环，特别是上面的大橙色盒子是OrbitIO。要阅读更详细的OrbitIO，请参阅我的帖子Brian Jackson在IMAPS上介绍了一款神秘产品．上图是标有Cadence产品名称的图表。

将多个骰子放入一个包中的另一个挑战是“已知好骰子”或KGD。这意味着芯片在组装之前需要进行广泛的测试，所以大概是在晶圆排序时，以确保它们通过。如果你在测试包中的单个模具时少花一点时间，那么如果一个坏的模具漏过了，你就失去了包的成本。你也失去了骰子的成本，但因为它是坏的，它没有任何价值。一旦你把多个骰子放在一个包里，这个逻辑就不成立了。如果有4个骰子，其中一个坏的骰子溜走了，你只有在最后的测试中才发现，那么你不仅丢弃了一个坏的骰子，你还丢弃了3个好骰子(我假设没有办法打开包装，经济地回收好骰子，这可能并不总是正确的)。