來源：芯片封裝綜述

本期分享王翰華、崔忠杰兩位標(biāo)題為《先進(jìn)封裝驅(qū)動(dòng)下的片上互連技術(shù)發(fā)展態(tài)勢研究》文章摘選內(nèi)容。

隨著臺積電在 2011年推出第一版 2.5D 封裝平臺 CoWoS、海力士在 2014 年與 AMD 聯(lián)合發(fā)布了首個(gè)使用 3D 堆疊的高帶寬存儲(HBM)芯片，先進(jìn)封裝技術(shù)帶來的片上互連拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的改變和帶來的集成能力的提升，成為當(dāng)前片上互連技術(shù)發(fā)展的主要驅(qū)動(dòng)因素。

一、片上互連技術(shù)前期總體發(fā)展歷程

早期芯片內(nèi)部主要使用金屬鋁作為互連材料，隨著集成電路特征尺寸的不斷縮小，鋁互連線的缺陷逐漸顯現(xiàn)，1997年IBM公司開發(fā)出了銅互連技術(shù)，銅的電阻比鋁低約40%，可靠性比鋁高100倍，并成為集成電路片上互連的主要材料。自此之后，在先進(jìn)封裝技術(shù)得到大規(guī)模關(guān)注與應(yīng)用之前，十?dāng)?shù)年時(shí)間內(nèi)，互連架構(gòu)創(chuàng)新成為片上互連領(lǐng)域的創(chuàng)新重點(diǎn)。下圖為片上互連技術(shù)前期總體發(fā)展歷程示意圖。

二、前沿互連技術(shù)

基于金屬線和電信號的有線互連長期以來都是芯片級通信的最主要手段。然而，隨著品體管的縮小，布線層的面積減小，導(dǎo)致導(dǎo)線厚度和間距的減小，使得導(dǎo)線電阻和電容增大，帶來更高的延遲和功耗。盡管目前金屬有線互連仍是芯片內(nèi)部核心間最常用的連接方式,但先進(jìn)封裝技術(shù)的規(guī)?；瘧?yīng)用使得異構(gòu)集成變得更為容易，隨著多核系統(tǒng)未來的演進(jìn)，光互連和無線片上網(wǎng)絡(luò)有望成為新興的技術(shù)趨勢。

(1)光互連

與電信號相比，光通信具有高帶寬、低延遲和低損耗等優(yōu)勢，已被廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器間數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域和電信網(wǎng)絡(luò)的承載網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域。

自21世紀(jì)初期起，學(xué)術(shù)界就開始探索光互連技術(shù)在芯片片上互連領(lǐng)域的應(yīng)用，但工程化問題長期并未獲得解決。直至基于硅基光子學(xué)的光芯片技術(shù)越加成熟，先進(jìn)封裝技術(shù)得以規(guī)模應(yīng)用后，在光計(jì)算尚未成熟的情況下，先進(jìn)封裝技術(shù)帶來的異質(zhì)集成能力，使得光互連有望早于光計(jì)算實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，將基于電信號的計(jì)算芯粒和基于光信號的 ONOC芯片集成在同一個(gè)封裝內(nèi)部，如下圖所示，彼此通過基于 TSV 的電信號連接，光電轉(zhuǎn)換模塊利用外接的激光器將電信號攜帶的數(shù)據(jù)調(diào)制到光信號之上，并進(jìn)行調(diào)制后的光信號輸入光網(wǎng)絡(luò)之中,在接收信號時(shí)光電轉(zhuǎn)換模塊則將光網(wǎng)絡(luò)傳輸來的光信號經(jīng)探測器轉(zhuǎn)換為電信號。經(jīng)放大后發(fā)送回計(jì)算芯粒,這一方式能夠有效在繼承電計(jì)算生態(tài)的同時(shí)利用光互連帶來的大帶寬、低功耗特性。

ONOC 還需解決生態(tài)問題，加速技術(shù)方案成熟，支撐未來規(guī)?；瘧?yīng)用。光子器件溫度敏感，激光器組件易產(chǎn)熱，需額外熱管理設(shè)計(jì)。在光計(jì)算普及前，信號處理仍需要依賴電器件完成，ONOC 在信號傳輸前后需要經(jīng)過電光轉(zhuǎn)換和光電轉(zhuǎn)換，而這些轉(zhuǎn)換過程會(huì)引入額外的延遲和功耗，可能抵消部分ONOC的性能優(yōu)勢。盡管如此，隨著技術(shù)的不斷革新，ONOC正逐步展現(xiàn)出其作為未來高性能計(jì)算和通信芯片核心解決方案的巨大潛力。

(2)無線互連

無線通信技術(shù)通過射頻信號進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，使用自由空間作為通信傳輸介質(zhì)，與傳統(tǒng)的有線互連相比，能夠避免復(fù)雜的物理布線過程，在芯片內(nèi)部，由于工藝的不斷微縮，布線空間日益緊張，而無線通信技術(shù)在此背景下展現(xiàn)出了其獨(dú)特的應(yīng)用潛力。

與有線通信主要支持一對一的單播互連方式不同，無線通信還可以實(shí)現(xiàn)一對多的多播通信，可以在一對多的數(shù)據(jù)通信場景中提高傳播效率，減少由于阻塞造成的延遲。下圖為片上無線互連示意圖。

無線通信方式面臨功耗高、噪聲干擾頻繁及設(shè)計(jì)復(fù)雜等挑戰(zhàn)。芯片內(nèi)部的無線通信可能受到電磁干擾的影響，尤其是在高密度集成的環(huán)境中，多個(gè)天線同時(shí)工作可能導(dǎo)致信號沖突和噪聲問題，需要設(shè)計(jì)高效的抗干擾機(jī)制和多信道管理策略。

芯片上集成微型天線要求高精度制造工藝，天線性能(增益、方向性等)直接影響通信質(zhì)量，其尺寸與布局需與芯片其他組件協(xié)調(diào)，從而增加了設(shè)計(jì)難度。在短距離通信中，無線通信的功耗也可能高于有線互連，需要進(jìn)一步優(yōu)化器件能耗。

預(yù)計(jì)在更遠(yuǎn)的未來，隨著封裝內(nèi)芯粒規(guī)模的不斷提升，有限的布線空間難以承載愈發(fā)復(fù)雜多樣的互連需求，過于復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致由于路由帶來的延遲問題更加嚴(yán)重，權(quán)衡利弊下屆時(shí)無線互連在穩(wěn)定性和速率方面的劣勢可能將不再重要，無線互連不占用布線空間的優(yōu)勢將得以凸顯，或?qū)⒛軌虮划a(chǎn)業(yè)界接受，扮演有線互連的輔助角色。