究竟什么是小芯片和异构集成？

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“小芯片（chiplet）” 和 “异构集成（heterogeneous integration）” 这两个术语频繁出现在新闻版面、会议论文以及营销展示中，而且在大多数情况下，工程师们都能理解他们所读到的内容。然而，演讲者有时在做报告时会犹豫，难以确定某个特定的裸片（die）是否能被称为小芯片，并且对于不同的人来说，异构集成有着不同的表现形式。这两个术语都缺乏被广泛接受的定义，而这些定义本可以帮助人们理解如今困扰着这两个术语的细微差别。

对于一些行业专家而言，只要存在裸片到裸片的接口，就可以将一块硅片认定为小芯片。而在异构集成方面，存在更多的分歧，并且在讨论过程中，当对不同的标准进行权衡时，不同人的定义可能会有所变化。如今，这样的讨论可能会让人觉得有些迂腐，但从长远来看，清晰且一致的定义能够促进这种新兴架构的发展。

什么是小芯片？

由于异构集成的发展（稍后会详细介绍），小芯片如今是一个热门话题。从某种层面来说，将系统级芯片（SoC）分解为离散组件意义重大。但将多个裸片集成到单个封装中并非什么新鲜事。多年来，多芯片模块（MCM）一直在这么做，不过主要用于那些不太受关注的非主流应用。

在多芯片模块中，其组成组件通常是那些原本会以封装形式单独出售的芯片。如果没有定制的实现方式，多芯片模块封装内的组件无需做任何新的改动。

那么，小芯片仅仅是我们多年来一直在做的事情的新名称吗？尽管在定义细节上存在一些分歧，但没人认为小芯片仅仅是旧事物的新名称。对于大多数（但不是全部）人来说，识别小芯片的关键特征是一种将一个裸片直接连接到另一个裸片的专用方式。新思科技（Synopsys）高性能计算知识产权解决方案产品管理副总裁迈克尔・波斯纳（Michael Posner）表示：“它内部需要某种程度的裸片到裸片接口。”

一些人认为，只有具有标准化裸片到裸片接口的硅片才有资格被称为小芯片。弗劳恩霍夫集成电路研究所（Fraunhofer IIS EAS）高效电子部门高级系统集成小组负责人安迪・海尼格（Andy Heinig）表示：“对我们来说，只有当芯片之间存在标准化接口时，才能说一个小芯片是小芯片。” 否则，这种组件组合就只是一个多芯片模块。

虽然正如现有的多芯片模块所证明的那样，新的接口并非严格必要，但小芯片集成能够以多芯片模块中的芯片无法做到的方式提高性能和效率。Ansys产品营销总监马克・斯温嫩（Marc Swinnen）表示：“传统芯片被设计为单独放置在一个封装中，然后必须能够独自驱动印刷电路板（PCB）线路。所以它在I/O端有强大的驱动器来驱动这些外部线路。另一方面，小芯片旨在与中介层上的其他小芯片结合使用。因此，它的接口速度会快得多，功耗也更低，并且它只能驱动几毫米的线路。这种小芯片永远无法被放入常规封装中，因为它没有足够的驱动能力来驱动普通线路。”

小芯片的整个概念源于对先进制程节点成本的经济考量，以及无法生产出大于光罩尺寸的裸片的问题。Promex 公司首席运营官戴夫・弗洛姆（Dave Fromm）表示：“小芯片提高了整体的良品率和成本效益，因为它们是使用较小的、已知合格的单个裸片以及适合每个裸片的制造技术组装而成的 —— 这与在大裸片层面上使用实现设备中最苛刻功能所需的最先进制造节点集成所有功能不同。”

如今，许多公司采用专有的方案来更高效地在裸片之间传输数据。对于很多人来说，这样的裸片就有资格被称为小芯片。对于那些希望实现标准化的人来说，通用芯片互连 Express（UCIe）和多线路互连（BoW）增加了这种认可，并且已经开始被采用。

标准问题之所以重要，主要是因为从小芯片在开放市场上以如今知识产权的方式可用的广义概念来看。互操作性对于确保从不同来源购买的任何小芯片都能很好地协同工作变得至关重要。对一些人来说，这才是小芯片的真正意义所在，也是他们认为需要标准化接口才能有资格被称为小芯片的原因。

不同的解读

Arm公司对小芯片的定义稍有不同，它更关注分解而非接口。Arm公司架构产品管理总监马克・奈特（Mark Knight）表示：“小芯片是一种未封装的硅裸片，旨在与其他小芯片组合并封装在一起，并作为系统级芯片（SoC）的一部分运行。小芯片创造出更大、更复杂的系统，这些系统可以被封装并作为单个组件出售，每个小芯片都针对特定功能或任务进行了优化。这消除了构建一个大型单片裸片的需要，而构建大型单片裸片可能会带来成本效益方面的挑战，并导致与良品率相关的经济问题。”

小芯片市场的概念使情况变得复杂，新思科技也基于此做出了区分。波斯纳表示：“因为‘小芯片’也被用来描述这个开放的小芯片市场，所以我们开始使用‘多裸片’这个术语，因为它涵盖了所有市场和用例。” 根据这个定义，只有为那个开放市场设计的裸片才是小芯片。但他仍然认为拥有裸片到裸片的接口是必要的。

另一种观点关注的是裸片在封装中所扮演的角色，而不是接口。如果它是独立的，那么它就不是小芯片。西门子 EDA（Siemens EDA）中央工程解决方案总监普拉蒂什・卡马尔（Pratyush Kamal）表示：“小芯片是模块化的。为执行特定功能而设计的不同小芯片在单个封装的中介层上组合在一起。”

但特定功能不一定是独立的功能。新思科技的波斯纳表示：“它需要将裸片与其他功能一起封装。这并不一定意味着它很小。我们看到光罩尺寸的裸片也被封装在一起。”

根据这个定义，一组小芯片必须被视为一个整体，不能单独被认为是完整的功能。卡马尔表示：“当你考虑启动、调试、测试、时钟或电源管理时，你必须将多个实体放在一起考虑。你不能孤立地看待它们。”

并且内部延迟必须是正常的。他说：“裸片到裸片的延迟必须在总延迟中占较小的比例。只有这样，你才能说它与另一个实体紧密耦合。”

尽管封装似乎是小芯片概念的一个重要部分，但甚至这一点也不被认为是普遍必需的。卡马尔表示：“行业倾向于将小芯片必须共同封装作为基本约束条件。但我不一定同意这一点，因为在某些系统中，将两个小芯片直接安装在电路板上可能更经济。”

什么是芯片？

与这个讨论相关的是，我们应该如何称呼那块小小的硅片。它是裸片还是芯片呢？当每个封装中只有一个裸片时，这从来都不是问题。现在多个组件被封装在一起，那么 “芯片” 是指裸片还是封装单元呢？许多人将 “裸片” 定义为单个硅片，而 “芯片” 是一个封装单元，无论其内容如何。

联华电子（UMC）先进封装总监王柏翔（Pax Wang）表示：“通常，芯片是经过测试和封装的东西，准备好发货并组装到设备中。然而，小芯片是指经过测试并封装在同一芯片中的不同功能芯片（或裸片）。”

图 1：芯片 vs. 小芯片。左图显示了一个芯片，其中“芯片”被一些人定义为准备焊接到 PCB 上的封装产品。右侧显示了一组组件，其中一些是小芯片，被集成到同一个包中。

这种区分并非由技术因素驱动，而是出于方便的考虑 —— 我们需要为这些东西命名。问题在于，并非每个人都了解这些名称的含义。这也与较旧的多芯片模块术语相冲突，在多芯片模块术语中，“芯片” 指的是裸片，所以即使在这里，要做到清晰明确也很困难。

基于此，一些人更喜欢 “小裸片（dielet）” 这个术语，而不是 “小芯片（chiplet）”，因为我们所说的小芯片看起来并不像封装电路的较小版本。王柏翔表示：“在为客户开发晶圆堆叠服务时，我认为在某些情况下，‘小裸片’可能比‘小芯片’更好。” 但 “小芯片” 听起来比 “小裸片” 更好，所以目前，任何不喜欢 “小芯片” 这个词的人都只能接受它。

模拟和光子芯片使情况变得复杂

当封装中包含模拟裸片时，情况会变得更加复杂。标准化接口是数字接口，适用于任何要转换为模拟信号或从模拟信号转换而来的控制信号或数字数据。显然，模拟信号不会使用任何这样的接口。如果模拟信号仅驱动外部信号或仅由外部信号驱动，那么它就不需要任何特殊的内部接口。然而，如果模拟信号要驱动另一个小芯片，那么这种连接就需要进行定制设计和定制验证。

所以，如果判断小芯片的试金石是标准化接口的存在，那么只有当模拟裸片具有那些数字信号时，它才有资格被称为小芯片。如果那些信号提供的是控制而非数据，那么它不太可能需要标准化接口的带宽。对于架构师来说，是采用那个接口还是更简单的接口，这将是一个需要做出的决策。

但这就是事情变得有点奇怪的地方。如果有人认为标准化接口是神圣不可侵犯的，那么一些模拟芯片可能就没有资格被称为小芯片。如果任何裸片到裸片的接口都有资格，而不需要是标准接口，那么更多的模拟芯片就有资格被称为小芯片。

光子芯片也存在同样的潜在问题，尽管现在担心这个问题可能还为时过早。一个纯光子芯片将没有电气接口。那么它还能被认为是光子小芯片吗？

这就是这些定义面临的一个普遍考验。如果必须满足某些标准（例如标准化接口）才能有资格被称为小芯片，而有些裸片有这个标准，有些没有，这会有什么影响吗？如果某个假设的模拟芯片没有数字信号，因此没有资格被称为小芯片，这是否意味着它不能被集成到一个封装中呢？当然不是。所以这就是讨论这些定义有助于交流的地方，但严格按照这些定义来行事可能并没有那么重要。

表 1：采访中的小芯片定义摘要。最常见的需要 die-to-die 接口。其他定义则更加分散。

异构集成更加复杂

异构集成也是一个新概念。Ansys 公司的斯温嫩表示：“在过去的三四十年里，我们一直朝着单片设计的方向发展，并且有巨大的优势。如果你有多个核心，并将它们都放在一个系统级芯片上，它们会更快、更小、更便宜，并且功耗更低。这种优势仍然存在。你可能无法这样做的唯一原因是芯片变得太大了。”

另一个因素仅仅是先进制程节点的成本，以及如果没有附加值就希望避免这种成本的想法。Tignis 公司营销副总裁大卫・帕克（David Park）表示：“某些芯片（例如内存、中央处理器、图形处理器）如果不能‘跟上’发展，就没有价值，而这些芯片正是那些迁移到领先制程节点的芯片。但其他芯片不需要迁移到更小的制程节点。”

验证和处理方面的考虑也起到了一定作用。如今，2.5D 集成受到了很多关注，但 3D 集成会使集成问题更加复杂。泛林集团（Lam Research）半导体工艺与集成全球高级经理本杰明・文森特（Benjamin Vincent）在一篇博客文章中指出：“当你试图连接不同的 3D 组件时，就会出现集成挑战。” 这些挑战促使人们对 “异构” 进行区分。

虽然对 “小芯片” 的不同定义较为接近，但工程师们对异构集成的看法存在更多差异。他们都认为封装中包含多个东西，但对于将其定义为异构集成存在不同的 “标准”。王柏翔指出：“我认为对此没有一个非常明确的定义。” 这些标准如下逐步升级：

1.封装中有多个组件就足够了。它可以只是两个相同的裸片。新思科技的波斯纳表示：“异构集成通常是将具有不同功能的裸片封装在一起。但这其中的一部分也可能是计算扩展。（有四个相同的裸片）仍然属于异构集成。”

2.多个裸片必须是不同的。ARM公司的奈特表示：“首先定义异构集成的反面可能会更容易。由几个相同的中央处理器小芯片组成的系统不是异构的。由不同类型的小芯片组成的系统是异构系统。” Promex 公司也遵循类似的定义：弗洛姆表示：“我们将异构集成定义为一种将不同的组件（电子和非电子组件）组装成一个紧凑设备的方法。”

3.不同的裸片必须是独立设计的，而不是来自一个协调的项目。这些裸片可能来自也可能不来自同一家公司。

4.封装必须包含不同制程节点的混合。王柏翔表示：“我个人的定义是，如果两个小芯片来自相同的制程节点，那就是同构集成。如果我们将动态随机存取存储器（DRAM）与逻辑芯片连接起来，那肯定会得到来自不同制程节点的晶圆，所以这就是异构集成。”

5.封装必须包含先进和成熟制程节点的混合。海尼格表示：“我们可以将用于高压执行器或传感器的旧技术节点与 5 纳米处理元件集成在一起。这就是我们在欧洲所理解的异构集成。如果英特尔（Intel）或 AMD 将 7 纳米与 12 纳米结合起来，对我们来说这不是异构集成，因为他们没有面临所有相同的问题。”

6.封装必须集成不同的材料。卡马尔表示：“美国国防高级研究计划局（DARPA）关注的是材料。即使是像带有塑料基板的硅中介层这样基础的东西也是异构集成。”

7.混合制程节点或混合材料中的任何一种都有资格。国际半导体产业协会（SEMI）首席技术官兼技术社区副总裁梅利莎・格鲁彭 - 谢曼斯基（Melissa Grupen-Shemansky）表示：“早期，许多参与者认为异构集成是在多芯片或小芯片解决方案中使用不同的硅制程节点。一些技术专家仍然将其视为来自不同制程节点的芯片的集成。但它也可以包括不同材料的芯片，比如硅和锗，以及像氮化镓（GaN）和磷化铟（InP）这样的化合物半导体。”

其中一些考虑因素相对比较严格。例如，根据对不同制程节点的要求，如果一个封装包含一个 22 纳米的裸片和一个 12 纳米的裸片，那么它就是异构的。如果在未来的某个时候，22 纳米的裸片升级到了 12 纳米，按照那个定义，它就不再是异构的了。

定义有什么帮助呢？

那么，“异构” 的区分应该传达什么信息呢？在这个例子中，组装过程实际上并没有发生什么变化。只是其中一个裸片被更新了。目前还不清楚从异构变为同构是否能提供任何实质性的清晰信息。

王柏翔表示：“即使它们共享相同的制程节点，但如果它们具有完全不同的功能、完全不同的设计概念以及完全独立的路线图，我也会称其为异构集成。”

同样，模拟方面又使情况变得复杂。斯温嫩表示：“模拟芯片不使用先进制程节点。在 5 纳米制程中会出现很多寄生效应，这使得很难满足规格要求。”

对异构区分的一种看法是，要明白整个封装必须一起进行模拟，以确保产品能够达到预期的性能和良品率。

海尼格表示：“如果你在一个小芯片上有 100 伏的电压，你必须确保它不会耦合到你的 5 纳米子系统中。这是一个多物理问题。我们看到的第二个问题是，如果你看一下多线路互连和通用芯片互连 Express，接口电压大约是 0.7 或 0.8 伏。这对于 7 纳米、10 纳米或 22 纳米制程来说效果很好，但如果你使用 65 纳米或 90 纳米制程，你的电源电压是 3 伏或 5 伏。那么，接口上的 0.8 伏就不起作用了，因为你没有达到成熟技术的阈值电压。”

随着材料的增加，所需的模拟也会增加，因为多物理模拟将确认热性能、可靠性、噪声、信号质量以及对一个可靠产品的任何其他考虑因素。卡马尔表示：“你可能有一个跨越多种技术的子系统。你需要将其作为一个整体进行提取和模拟，这就是为什么我们需要强调异构性。”

作为讨论的补充，电气和电子工程师协会（IEEE）发布了一份异构集成路线图，它与最宽松的定义一致：“异构集成是指将单独制造的组件集成到一个更高层次的组件中，总体而言，该组件提供增强的功能和改进的操作特性。”

表 2：来自 SE 访谈的异构整合定义摘要。响应在标准中广泛分布

那么，谁会在意呢？

人们可以争论定义的细微差别，但这样的努力会有回报吗？一般来说，如果一个定义能够提供有助于决策的信息，那么它就是有用的。对于小芯片来说，定义的价值取决于具体情境。一家进行自己的系统级芯片分解的公司可以使用自己的术语。

但如果小芯片市场出现，互操作性就取决于购买的产品是否有资格被称为小芯片。当然，如果有人在开放市场上出售一个 “小芯片”—— 一个没有裸片到裸片接口但在其他方面能正常工作的小芯片 —— 这真的是个问题吗？只要对这个裸片有详细的说明，可能就不是问题。

异构集成可能是另一回事。如今，每个人都在为先进封装开发自己的流程，而且这些流程各不相同，正是因为这些公司试图使他们的工艺有所不同。此外，许多项目都是单独进行的，而不是受益于某种通用方法。

但如果这些方法开始分为两个不同的层次 —— 一个用于同构集成，一个用于异构集成 —— 那么这种分类将决定采用哪种方法。理想情况下，所有从事封装工作的公司都会就相同的定义达成一致，这样进行规划的人就可以进行直接的比较，而不必费力去理解不同的定义。

显然，芯片行业还没有达到那个程度，所以目前，这个讨论最有价值的地方在于它为思考最恰当的定义提供了一个机会。幸运的是，随着实际影响变得更加明显，这样的思考可能会开始趋于一致。

https://semiengineering.com/what-exactly-are-chiplets-and-heterogeneous-integration

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