Multi-Die系统，掀起新一轮技术革命！

大约两、三年前，多芯片(Multi-Die)系统在行业中还较为罕见，当时仅有少数公司探索基于2.5D中介层的设计。然而，随着高性能计算的兴起，越来越多的公司开始竞相转向2.5D，以及3D。Multi-Die系统快速发展。所以如果现在你还不了解Multi-Die系统的原理、本质和作用，那么你可能会显得有点落后了。

无论是探索Multi-Die系统，还是在设计中实施架构，开发者都需要了解整个半导体供应链生态系统的来龙去脉，才能够更从容的在架构中创造出更好的设计。在新思科技最近组织的一次行业座谈会中，来自Ansys、博世、英特尔、三星以及新思科技内部的专家，共同探讨了Multi-Die系统迅速普及的原因，未来将面临的挑战，以及各个大厂是如何挖掘Multi-Die系统潜力等多个精彩话题。

01. Multi-Die系统：起于但却不止于高性能计算

诚然，高性能计算是Multi-Die系统兴起的重要推动力，所有这些新的AI应用、大型语言模型（LLM），如ChatGPT，他们要处理的工作量是巨大的，迫切需要更高效的计算方式。应用程序中的性能需求每两年增长800倍，这显然是摩尔定律所无法实现的。

而Multi-Die技术在解决核心扩展问题和当前2D单芯片的限制方面具有显著优势，新思科技负责Multi-Die系统解决方案资深产品总监Shekhar Kapoor认为，从技术和成本角度来看，Multi-Die系统正在解决当下行业内的四大挑战：“

1）技术扩增的难题，摩尔定律的回报递减；

2）掩膜版的大小无法持续增加；

3）新制程节点的成本不断攀升，良率也随着芯片的增大变得越来越低；

4）SoC中数据的传入、传出需求巨大，如何让数据和存储靠的更近？”

利用Multi-Die系统能实现异构集成，并且利用较小Chiplet实现更高良率，更小的外形尺寸和紧凑的封装，降低系统的功耗和成本。Ansys半导体产品研发主管Murat Becer指出：“3DIC正在经历爆炸性增长，我们预计今年3DIC设计的数量将是去年的3倍左右。”

正是由于Multi-Die系统的这些优势，业界开始思考如何将其应用在更多领域。而在众多应用中，快速发展的汽车市场，以及处理器逐渐走到物理极限的移动设备，则是Multi-Die系统的两个潜在的应用市场。

正如我们所看到的，汽车行业正在从L1、L2向着L3、L4的自动驾驶等级迈进，要满足这些日益增长的自动驾驶需求，你不能将一排排的计算机直接放进汽车中，而是需要切实考虑它的外形尺寸，以便提供合适的处理能力和能效，这就推动了对Multi-Die技术的采纳。“随着未来汽车转向软件定义汽车，汽车中代码量不断激增，当今的汽车中可能有100~1亿行代码，到2030年底，代码行数可能会增长到现在的3-5倍，达到接近8亿行。但汽车行业具有一定规模，我们不可能为每辆车设计专用芯片。因此，我们非常希望能够将这些Chiplet技术应用到汽车中，把其他行业最新最好的技术在整个汽车产品组合上实现可扩展性。”博世半导体部门Michael Schafferi强调。

“虽然移动设备市场还在观望，但他们在面对外形尺寸和掩膜版的挑战时也是没有选择的。”新思科技的Shekhar Kapoor表示，他们研究了100多个涵盖各种封装类型和各种应用的Multi-Die项目，发现包括政府在内的数十亿美元的资金已经投入到了这一领域，未来Multi-Die系统的采用速度将大幅加快。三星负责先进封装业务开发副总裁Cheolmin Park表示：“我们不难发现，出于成本考虑，移动市场希望将不同的功能分解为高级节点和更经济的节点，因此也开始尝试实施Multi-Die系统。”

总而言之，人们已经开始发挥创造力，尝试利用先进封装能力和Multi-Die系统来实现他们的需求，更多市场的普及和应用只是早晚的问题。

因此，随着多个行业对速度更快、功耗更低、带宽更高的半导体的巨大需求，未来我们可能会在AI、机器学习、CPU、GPU和移动应用中看到Multi-Die系统的部署。Multi-Die系统将是各领域的厂商，从成本甚至是产品的角度通过创造差异化而获益的大好机会。

02. Multi-Die系统自身发展面临哪些挑战？

虽然Multi-Die技术解决了当下的一些行业痛点，但其自身发展也面临着新的挑战。假如放眼全球，我们可能会看到通常Chiplet设计整合仅仅在个别的公司所实现。就目前而言，Multi-Die系统并不适用于所有项目，一方面因为其成本和复杂性方面的因素，另一方面是Multi-Die系统还处于发展阶段，在知识和经验上的缺口还需行业共同努力填补。

英特尔架构、设计和技术解决方案副总裁Lalithe Immaneni也强调，在EDA领域，Multi-Die系统面临三大挑战：“

1）对于Multi-Die系统而言，EDA不仅仅是执行和构建这些3DIC结构，更多的在于协同设计和架构。

2）配套的IP如何开发？UCIe是一个良好的开端，遵循JEDEC标准的HBM是另一个例子。

3）如何大批量生产这些Multi-Die系统？这就轮到封装大显身手了，这也是封装的黄金发展时代。”

Ansys的Murat Becer补充到：“3DIC技术的发展对EDA提出了多维挑战，不仅包括电源完整性和信号完整性，还有大规模集成设计引起的热管理问题和信号完整性分析的复杂性。EDA社区必须提升多物理场、多尺度的建模与仿真能力来设计这些复杂系统，并确保其高效生产。”

面对上述这些挑战，仅凭一家公司是无法解决的，行业合作是未来的关键。只有各个环节的供应链厂商建立起合作关系，协同验证芯片、3D系统和封装，才能使3DIC设计、签核和制造取得成功。

03. Multi-Die生态系统：可以在标准化中合作，在实现方面竞争

天下大势，分久必合，合久必分。我们不难看到，在整个半导体行业，越来越多的重新融合正在发生，代工厂和设计厂商之间的联系愈发密切，代工厂除生产制造外，加入了更多物理场和新方法相关的专业知识。Ansys、三星、英特尔、博世和新思科技也正在紧密合作，并在设计周期的几个关键环节进行合作。

博世的Michael Schafferi强调：“面对半导体短缺暴露出的供应链脆弱性，我们要想将多个Chiplet整合到单一封装中，对于Multi-Die系统的良好发展，我们的愿景是建立一个开放的生态系统，实现真正有弹性的供应链。要达成这一愿景，就需要广泛的标准支持。在标准建立方面，我期待并希望业界热衷于与合作伙伴甚至竞争对手真正的合作，建立统一的标准。我们在标准化方面合作，但是可以在实现方面竞争。”

说到标准，UCIe是Die-to-Die连接标准方面的一个很好的例子，UCIe为封装级互联、IO和技术方面带来了大量的专业知识。而要想Multi-Die系统的大规模采用和发展，这还远远不够。

三星的Cheolmin指出：“鉴于当下先进封装的重要性越来越凸显，为了实现规模经济并向客户提供价值，我们需要探索如何将封装流程标准化，还有构建、限定它的方法，以及进入类似汽车等特定细分市场的方法等等。”

英特尔的Lalithe Immaneni也表示：“UCIe正在不断适应3DIC，并提高超高密度互联、小于25微米的凸块兼具、更快的速度。除此之外，在裸片内存连接等方面还需要进一步标准化，比如HBM4；在EDA领域，可互操作性的EDA标准也非常关键；在制造设备领域，当我们把来自各个供应商的Chiplet、封装组合在一起时，也应当需要满足一定的标准规格。”

“关于IP复用，是否应该有一个针对所有这些3D堆叠的3D优化IP、3D强化IP，以支持正在涉及到的各种配置，例如面对面和面对背配置，我们是否需要一个栈上垂直通信的标准协议？”新思科技Shekhar谈到上述关于新标准的制定。

因此，整个行业应共同努力，推动集成EDA工具标准、Die-to-Die IP连接标准、制造和封装标准，乃至研究设备兼容性标准的发展，以加快这些Multi-Die系统的上市时间（TTM）并提高效率。

04. 加速Multi-Die系统的采用，还有哪些捷径？

裸片或Chiplet是Multi-Die系统的基本组成部分，它们常常在不同的制程节点上或由不同的代工厂制造。那么，在Chiplet市场中是否可能存在使IP复用更简单或更具可扩展性的可能？这是否能加速Multi-Die系统的进一步发展？

对此问题，Ansys的Murat表示：“如果产业界紧密合作，创建一个chiplet库，芯片公司就可以从这个库中挑选合适的Chiplet并将其整合到自己的3DIC设计中。此外，每个Chiplet都应该真正包含基于物理的模型，以实现3DIC级别的多物理场验证。

英特尔Lalithe对于建立一个富有成效的Chiplet生态系统持积极态度。利用来自不同供应商在各工艺节点上验证的IP，可以显著提速产品上市。复用性、可扩展性以及在降低成本和提升性能方面，Chiplet生态系统提供了更多可能。

“驱动IP复用有两大因素：第一是成本，第二是上市时间。”博世的Michael对此进一步解释道，“首先，你会发现Chiplet的开发成本非常高，能够复用于多个行业Chiplet的公司将处于更有利的位置；在当今时代，时间就是金钱，中国汽车市场的发展速度惊人，我们必须要及时跟上潮流。”

但归根结底，对于Multi-Die系统的长远发展，长期可靠性是至关重要的因素。要达到这一目标，需要整个供应链进行层层把关。

Ansys的Murat Becer强调了两点：“首先，要确保Multi-Die系统的设计和验证方法足够可信，通过多物理场验证和跨平台合作，确保系统的可靠性；其次，针对3DIC系统的特殊性，由于设计自由度和参数的显著提升，高效的早期原型设计至关重要。”

“如果你观察Multi-Die系统的整体构成，就会发现可靠性、良率、安全性，所有这些问题都开始凸显，整个系统中最弱的部分决定了整体的表现。”新思科技的Shekhar指出，需要用全局的眼光看待问题，不仅必须确保每个部分的可靠性，还要确保整个系统的可靠性，对所有裸片进行更复杂的模型管理。比如，一个简单的双裸片、一个中介层和一个封装，他们各自有95%的良率，但是放在一起，最终只有80%的良率。在Chiplet库中，Chiplet可能来自不同的供应商，这可能会增加其可靠性方面的挑战，那么它必须具有可追溯性、监测数据、安全签名等。关于这些，新思科技的siliconDASH数据分析技术将可以用来分析、校对和合并来自不同来源的所有数据。

三星的Cheolmin Park指出：“Multi-Die系统和先进封装引入的新组件，比如硅通孔（TSV）和封装层面的组件，都是新挑战。这些系统的带宽、凸块数量以及连通性都比以前有了质的飞跃，再加上热管理的复杂性，这要求我们从性能、功耗和可靠性角度全面理解组件间的相互作用。为此，我们需要在EDA合作伙伴的工具集中包含这些因素，以便在客户现场测试前就能预测组件和封装级别的长期可靠性。这就要求我们与EDA供应商紧密合作，并尽可能透明地交换数据集。”

05. 总结

在这场关于Multi-Die系统综合问题的讨论中，行业专家们的见解让我们得以了解现在Multi-Die发展的来龙去脉，并窥见了未来的轮廓。这些观点不仅呈现了一个技术进步迅猛的行业图景，而且也描绘了一个需要创新思维和跨学科合作的未来。面对Multi-Die系统所引领的新技术革命的浪潮，行业正在步入一个以系统为核心，合作共赢为基石的新时代。随着云计算和人工智能的融入，我们可以预见，无论是在设计理念、生产流程还是最终产品方面，未来都将呈现前所未有的变化。正如这些专家所展示的那样，不断的创新和适应，将是推动行业发展、迎接挑战的不竭动力。