Chiplet下面的秘密

在創(chuàng)建multi-die系統(tǒng)時，最重要也是討論最少的問題之一是基板技術(shù)。未來有幾條道路，朝著不同的方向發(fā)展。但其中一條擁有獨(dú)特的前景。?

目前關(guān)于chiplet的追捧大多數(shù)時候忽略了一個重要的觀點(diǎn)。每一個multi-die系統(tǒng)封裝實(shí)際上都依賴于一個基板。這個基板的特性影響著完成系統(tǒng)的各個方面，從架構(gòu)到成本，再到它是否能達(dá)到客戶手中的可能性。

兩種路徑??

當(dāng)今，架構(gòu)師在他們系統(tǒng)的基板上可以探索兩條主要路徑。最廣泛討論的，以及在高端設(shè)計中最常用的，是硅interposer。這是一塊比最大的可制造芯片大得多的硅片，但在實(shí)踐中仍被限制在邊長幾厘米的范圍內(nèi)。傳統(tǒng)的硅光刻和晶圓加工可以在interposer的表面上產(chǎn)生接觸凸點(diǎn)和互連線路，在某些情況下還包括被動元件。然后組裝設(shè)施（通常在制造基板和主要die的半導(dǎo)體制造公司）將會在凸點(diǎn)上安裝die或die堆疊。

硅interposer提供高凸點(diǎn)密度和線距，允許die之間有很多連接。它們還提供良好的電氣特性，可實(shí)現(xiàn)較高的die之間位速率和出色的工藝控制。但它們也帶來了高成本，專有的供應(yīng)鏈，以及當(dāng)前的產(chǎn)能限制。到目前為止，它們還沒有展示出在車規(guī)級或航空航天應(yīng)用中使用的熱力學(xué)和機(jī)械彈性。

今天的主要替代品是已經(jīng)在大多數(shù)集成電路封裝中使用的傳統(tǒng)有機(jī)材料。傳統(tǒng)基板材料有許多限制，包括凸點(diǎn)密度和線距相對較低，限制了die間互連的數(shù)量。這種材料還電氣特性也不夠理想，限制了信號帶寬。但在傳統(tǒng)基板上放置被動元件是一項(xiàng)成熟的技術(shù)。傳統(tǒng)基板可能比當(dāng)前最大的interposer要大得多。但基板成本低，材料、組裝、測試和封裝的來源眾多。這些權(quán)衡使得傳統(tǒng)基板對成本敏感型系統(tǒng)、加固型系統(tǒng)開發(fā)商以及可能擔(dān)心潛在技術(shù)封鎖的開發(fā)商極具吸引力。

第三種路徑??

在2023年秋季，Intel披露了一個旨在探索第三種替代方案的研發(fā)計劃：玻璃基板。理論上，玻璃可以提供硅基和傳統(tǒng)封裝基板的優(yōu)勢，但沒有它們的限制。這可能是通往具有高互連性能的非常大型multi-die系統(tǒng)的一條路徑，但成本溢價并不高。

然而，玻璃也有其挑戰(zhàn)。生產(chǎn)一塊比最大的傳統(tǒng)基板大得多，但又足夠平整光滑以實(shí)現(xiàn)高密度特征的玻璃片并非易事。在變化的局部溫度和機(jī)械應(yīng)力下保持其尺寸穩(wěn)定也很困難。即使你能制造出這樣一張玻璃片，實(shí)際上在廣面積區(qū)域內(nèi)制造這些凸點(diǎn)、線路，以及可能的被動元件也并非易事。行業(yè)如何解決這些挑戰(zhàn)將決定玻璃的接受程度以及，更有趣的是，還將決定實(shí)用玻璃基板的最大尺寸。

Applied進(jìn)入基板領(lǐng)域??

Applied Materials的最近一次聲明格外引人注目。當(dāng)然，Applied是半導(dǎo)體制造設(shè)備的長期關(guān)鍵參與者。但對于這次討論來說，它還是制造像太陽能電池板這樣的大型基板設(shè)備的關(guān)鍵玩家，這一點(diǎn)非常重要。

Applied宣布，他們已經(jīng)與封裝用光刻設(shè)備供應(yīng)商Ushio合作，開發(fā)一種用于制作大型面板基板的光刻系統(tǒng)。原則上，這些系統(tǒng)將能夠處理硅、傳統(tǒng)材料或玻璃。但目前，玻璃可能是更有趣的替代品。

從這個角度來看，在這種情況下，面板的邊長可達(dá)幾十厘米，可能是整個硅晶片面積的四五倍。面板可以是一個連續(xù)的基板，上面安裝數(shù)百或數(shù)千個die。上限可能是die的缺陷率，而不是面板的面積。

這種能力將對大型系統(tǒng)的架構(gòu)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。如果能以更接近于片上互連的性能和功耗水平實(shí)現(xiàn)這么多chiplet的互連，就可以設(shè)計出真正龐大的系統(tǒng)，而無需在獨(dú)立基板上的各部分系統(tǒng)之間使用會導(dǎo)致延遲的光橋或網(wǎng)絡(luò)接口。這也意味著有能力將大型系統(tǒng)（如高端GPU）分解成大量更小、更簡單的chiplet，而不會大幅降低性能。這兩種能力都為系統(tǒng)架構(gòu)開辟了幾乎尚未探索的新道路。

但成功制造一個大型、高密度面板仍然面臨著重大挑戰(zhàn)。

數(shù)字計算光刻????????????

一個至關(guān)重要的挑戰(zhàn)是光刻：準(zhǔn)確地將形狀印刷到面板上，以定義組成互連圖案的點(diǎn)、線和空間。在集成電路制造中，這是通過投影印刷過程完成的。某一die層的圖案的放大圖像通過某種功能上類似于顯微鏡的設(shè)備投影，從頂部的大型光罩（相當(dāng)于目鏡的位置）投射到硅晶圓表面的微小圖像上。在硅或傳統(tǒng)基板上創(chuàng)建圖案時，也采用了類似的工藝，但規(guī)模要大得多。

但還存在問題。如果基板表面不平整（例如，如果基板上已經(jīng)有幾層互連，或者如果基板本身不是光學(xué)上平整的），表面的不同高度將扭曲光學(xué)投射的圖像。在集成電路制造中，這個問題通過在每層制造完成時進(jìn)行平整化來解決。但在一個大面板上做到這一點(diǎn)是不切實(shí)際的。

如果基板需要大于光學(xué)系統(tǒng)可以投射的最大圖像怎么辦？在那種情況下，光刻系統(tǒng)將不得不在基板在其下方移動時，將多個較小的圖像拼接在一起。但是，讓這個拼接過程精準(zhǔn)而不會積累小誤差、在兩個圖像結(jié)合處產(chǎn)生鋸齒狀、扭曲的特征是異常困難的。

另一種方法是直接寫入光刻法。它省去了投影掩模，用激光掃描基片表面。在集成電路光刻技術(shù)中，也使用了類似的技術(shù)，用電子束代替光束來制作最高分辨率的光掩膜。這一過程可能很慢，而且需要基片位置、光束方向和控制光束強(qiáng)度的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)之間的完美協(xié)調(diào)。

制造面板?????

這是Applied Materials與Ushio共同面臨的挑戰(zhàn)。Applied已經(jīng)開發(fā)了一種使用微反射鏡技術(shù)的光束控制方法，基本上是在集成電路上覆蓋納米級移動鏡陣列，每個移動鏡的位置都由數(shù)字控制。利用這種控制機(jī)制，Applied聲稱不僅能夠在生產(chǎn)所需的時間內(nèi)掃描整個面板，而且還能進(jìn)行精確的光束定位，以便對表面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化和圖案拼接處的區(qū)域邊緣的對齊誤差進(jìn)行即時補(bǔ)償。

Applied表示，其結(jié)果是能夠在整個面板的表面上創(chuàng)建精確的2微米圖案，并且有實(shí)現(xiàn)亞微米圖案。Applied已經(jīng)開發(fā)了底層技術(shù)、控制微反射鏡的計算光刻算法以及光路，而Ushio將負(fù)責(zé)制造和分銷。

這一成果可能是系統(tǒng)設(shè)計的一場革命，本質(zhì)上消除了multi-die模塊大小的實(shí)際限制。對于高端數(shù)據(jù)中心和超級計算應(yīng)用，這可能通過大幅減少系統(tǒng)內(nèi)大量CPU、GPU或AI加速器die之間的互連延遲和互連功耗，從而大幅提高的性能。今天在封裝之間需要的電路板連接將變成單個面板上的互連線路。從概念上講，模塊中巨型內(nèi)核的數(shù)量僅受限于你能從封裝中移除熱量的能力。

在更注重成本的其他應(yīng)用領(lǐng)域，影響可能完全不同。例如，在汽車領(lǐng)域，這可能是實(shí)現(xiàn)自動駕駛車輛真正所需的巨大計算能力的一條路徑，但成本將對一般汽車市場來說是可接受的。在消費(fèi)電子設(shè)備中，這可能為便攜設(shè)備或娛樂系統(tǒng)帶來像生成式AI這樣的能力。

這些機(jī)會并非來自于將大量巨型die組合在一起，而是通過使用面板技術(shù)將一個巨型die分解為大量較小的die（功能性chiplet）。如果這樣的能力可以實(shí)現(xiàn)，這將有助于實(shí)現(xiàn)一個真正的chiplet開放市場，不僅僅是服務(wù)于某個巨型中心die的RAM chiplet和I/O chiplet，而是作為CPU、向量處理器或AI加速器的功能塊的chiplet。而且，這一能力可能會打破在巨型芯片設(shè)計和制造這些大型芯片所需的先進(jìn)半導(dǎo)體工藝上的壟斷局面。

在大型面板上安裝系統(tǒng)的能力不僅擴(kuò)大了封裝中chiplet的安裝面積，還為全球高端硬件市場帶來了新一代的參與者，其中許多玩家來自新的地區(qū)。這種變化可能是深遠(yuǎn)的。