異構(gòu)集成 (Heterogeneous integration，HI) 和系統(tǒng)級(jí)芯片 (System on Chip，SoC) 是設(shè)計(jì)和構(gòu)建硅芯片的兩種方式。異構(gòu)集成的目的是使用先進(jìn)封裝技術(shù)，通過(guò)模塊化方法來(lái)應(yīng)對(duì) SoC 設(shè)計(jì)日益增長(zhǎng)的成本和復(fù)雜性。

在過(guò)去的 20 年里，Cadence 一直支持電子行業(yè)以SoC方式幫助我們的客戶追求更大的晶體管密度并不斷突破摩爾定律的界限，一直到 2nm 甚至 1nm 制程節(jié)點(diǎn)時(shí)，我們也在持續(xù)致力于幫助他們順利實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)。現(xiàn)在，異構(gòu)集成提供了一種具有成本效益的替代方案，并用事實(shí)證明，對(duì)于許多應(yīng)用來(lái)說(shuō)可能比單片SoC更為適合。

那么，我們來(lái)看看這兩種設(shè)計(jì)工藝之間的區(qū)別以及各自的優(yōu)勢(shì)和注意事項(xiàng)。

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系統(tǒng)級(jí)芯片 (SoC)

SoC 是一種集成電路 (IC)，將計(jì)算系統(tǒng)的每個(gè)部分都整合到一個(gè)硅晶粒中。其中包括一個(gè)或多個(gè)中央處理單元 (CPU) 或處理器（低功率微控制器和/或應(yīng)用處理器），每個(gè)都帶有幾個(gè)核心，以及圖形處理單元 (GPU)、Wi-Fi、藍(lán)牙或 4G/5G 蜂窩調(diào)制解調(diào)器、存儲(chǔ)器，甚至可能還包括存儲(chǔ)器等外圍設(shè)備。

在過(guò)去 20 年里，SoC 的興起和擴(kuò)展是半導(dǎo)體技術(shù)中最具創(chuàng)新性和令人興奮的變化之一。在過(guò)去，設(shè)計(jì)一個(gè)復(fù)雜的計(jì)算系統(tǒng)意味著使用離散的、現(xiàn)成的組件來(lái)設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)。

由于 SoC 的所有部件都集成在一個(gè)晶粒上，SoC 在功率、性能和面積 (PPA) 方面提供了無(wú)與倫比的優(yōu)化。它們的運(yùn)行功率相對(duì)較小，能夠非常迅速地執(zhí)行計(jì)算功能，而且占用的物理空間也要小得多，這意味著最終設(shè)備的外形尺寸也可以更小?，F(xiàn)在，全球數(shù)十億臺(tái)設(shè)備都依賴 SoC，從汽車(chē)到筆記本電腦，從智能手機(jī)到醫(yī)療器械。

但是，制造先進(jìn)的單片 SoC，特別是如果采用最新的制程節(jié)點(diǎn)（7nm 及以下），成本變得越來(lái)越昂貴。自行業(yè)在 21 世紀(jì)前十年使用 FinFET技術(shù)以來(lái)，對(duì)于 28nm 以下的節(jié)點(diǎn)，每個(gè)晶體管的成本節(jié)節(jié)升高--有能力投資最新設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)的少數(shù)代工廠也開(kāi)始紛紛宣布漲價(jià)。

此外還要考慮項(xiàng)目和初期投入工程成本 (NRE, non-recurring engineering) 。為了實(shí)現(xiàn)某個(gè) 3nm 設(shè)計(jì)，可能需要一個(gè)由數(shù)千名工程師組成的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)工作數(shù)萬(wàn)小時(shí)，花費(fèi)數(shù)億美元，而這才僅僅完成了功能驗(yàn)證步驟。

如果要為面向大眾市場(chǎng)的智能手機(jī)打造一款 SoC，那么這筆投資也許可以收回成本。但對(duì)于小眾市場(chǎng)，例如國(guó)防/工業(yè)領(lǐng)域，市場(chǎng)需求只有 1000 件左右，再如此大費(fèi)周折就有點(diǎn)得不嘗失。

最后需要考慮物理限制。目前的 SoC 已經(jīng)達(dá)到了光刻的極限：如果不采用昂貴的縫合技術(shù)，制造設(shè)備根本無(wú)法應(yīng)對(duì)不斷增長(zhǎng)的芯片尺寸。隨著芯片尺寸增加，缺陷風(fēng)險(xiǎn)也變得更高，導(dǎo)致晶圓的良率降低。

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異構(gòu)集成（HI）

異構(gòu)集成為單片 SoC 提供了一種替代方案，對(duì)于復(fù)雜但成本預(yù)算有限的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，異構(gòu)集成已經(jīng)成為一個(gè)非常有吸引力的選擇。

異構(gòu)集成是指使用先進(jìn)的封裝技術(shù)，將較小的chiplet（芯粒/小晶片）整合到一個(gè)系統(tǒng)級(jí)封裝 (System in Package，SiP) 中；chiplet是物理上經(jīng)過(guò)實(shí)現(xiàn)和測(cè)試的 IP ，制成在芯片上并切割，可以執(zhí)行特定的邏輯功能。

可以把 SoC 看作單片機(jī)，把異構(gòu)集成看作模塊化——整合來(lái)自不同芯片代工廠的不同 chiplets。每個(gè) chiplet 都是單獨(dú)制造的，并且遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于***可處理的極限尺寸，因此實(shí)際生產(chǎn)芯片的過(guò)程要簡(jiǎn)單得多。Chiplets 也可以針對(duì)任何制程節(jié)點(diǎn)進(jìn)行組合設(shè)計(jì)；例如，異構(gòu)集成有可能將 28nm 的 chiplets 與 2nm 的 chiplets 整合在一起。

雖然先進(jìn)異構(gòu)集成仍處于發(fā)展的早期階段，但在一個(gè)共同的基板（陶瓷、硅/玻璃或有機(jī)物）上并排集成不同的芯片和分立元件并不是什么新概念。多芯片模塊 (multichip module，MCM) 和 SiP 等技術(shù)已經(jīng)問(wèn)世了幾十年，每種技術(shù)都有各種不同的應(yīng)用場(chǎng)景。

異構(gòu)集成將 SiP 設(shè)計(jì)向前推進(jìn)了一大步，將其與 2.5D/3D-IC、扇出型芯片級(jí)封裝 (FOWLP)、硅和玻璃中介層以及嵌入式橋接器等尖端封裝和互連技術(shù)相結(jié)合。

異構(gòu)集成還能為 HPC 和服務(wù)器市場(chǎng)等應(yīng)用提供更大、更強(qiáng)大的芯片。在這些應(yīng)用中，封裝本身可以直接集成大量的內(nèi)存；而這在 SoC 上是根本不可能實(shí)現(xiàn)的。

然而，異構(gòu)集成也有一些注意事項(xiàng)。設(shè)計(jì)工作并沒(méi)有因?yàn)橛辛水悩?gòu)集成而變得簡(jiǎn)單，反而變得更為復(fù)雜。從單一的單片 SoC 過(guò)渡到系統(tǒng)級(jí)架構(gòu)，需要重新考慮原本 SoC 可以有效應(yīng)對(duì)的不良因素，如熱、電和機(jī)械性張力。在嘗試設(shè)計(jì)異質(zhì)集成芯片之前，采用正確的工具、方法和團(tuán)隊(duì)協(xié)作方式是至關(guān)重要的。

異構(gòu)集成還意味著信號(hào)路徑延長(zhǎng)、I/O 數(shù)量增多和外形尺寸更大——這些都是不利于實(shí)現(xiàn)高效PPA的因子。異構(gòu)集成設(shè)計(jì)的芯片，其形狀參數(shù)在 X 和 Y 平面積上會(huì)變大，如果實(shí)施 3D 堆疊，甚至 Z 方向高度也會(huì)變大，而這是不可避免的。

而且異構(gòu)集成中，chiplets 的封裝方式對(duì)芯片的成功至關(guān)重要。這意味著在設(shè)計(jì)階段需要格外關(guān)注封裝技術(shù)，無(wú)論是 2.5D、3D-IC，還是其他的封裝技術(shù)。

系統(tǒng)級(jí)芯片和異構(gòu)集成——

如何為設(shè)計(jì)項(xiàng)目選擇？

這個(gè)問(wèn)題的答案在很大程度上取決于具體的應(yīng)用、設(shè)計(jì)預(yù)算，以及預(yù)期出貨片的總產(chǎn)品數(shù)量。隨著越來(lái)越多的應(yīng)用范例不斷涌現(xiàn)，它們需要使用強(qiáng)大的人工智能 (AI) 和用在邊緣計(jì)算并采用高性能計(jì)算 (HPC) 的自主系統(tǒng)，因此僅采用SoC 技術(shù)可能會(huì)達(dá)到其能力的物理極限。先進(jìn)異構(gòu)集成自然而然地成為了下一步的選擇。

然而，總會(huì)有很多應(yīng)用在 PPA 方面無(wú)法達(dá)成妥協(xié)，在這種情況下，SoC 將仍然是最佳選擇。

3D-IC 有望在網(wǎng)絡(luò)、圖形、AI/ML 和高性能計(jì)算等領(lǐng)域產(chǎn)生廣泛影響，特別是對(duì)于需要超高性能、低功耗器件的應(yīng)用而言。具體的應(yīng)用領(lǐng)域包括多核 CPUs、GPUs、數(shù)據(jù)包緩沖器/路由器、智能手機(jī)和 AI/ML 應(yīng)用。

從設(shè)計(jì)的角度來(lái)看，要實(shí)現(xiàn)真正的 3D 集成，需要對(duì)某些設(shè)計(jì)工具進(jìn)行一些加強(qiáng)。尤其在架構(gòu)分析、熱分析、多裸片間的排置、時(shí)序、測(cè)試和驗(yàn)證方面的功能都需要提升。此外，還需要新的系統(tǒng)級(jí)功能，如頂層規(guī)劃和優(yōu)化、芯片裸片（die）之間和晶粒（chiplet）之間的信號(hào)完整性和 IC/封裝協(xié)同設(shè)計(jì)。

想要進(jìn)一步了解 3D 集成和多個(gè)堆疊裸片封裝的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)、生態(tài)系統(tǒng)要求和所需的解決方案嗎？