玻璃中介板技术的结构和性能优势

以下文章来源于逍遥设计自动化，作者逍遥科技

引言

半导体行业持续推进性能和集成度的边界，Chiplet技术作为克服传统单片设计局限性的解决方案正在兴起。在各种Chiplet集成方法中，玻璃中介板代表了一个突破性进展，提供了传统硅基或有机基板无法实现的独特能力。本文探讨创新的"5.5D"玻璃中介板架构及其相比传统2.5D集成方法的显著优势。

1玻璃中介板架构理解

玻璃中介板通过将Chiplet直接嵌入基板内部的独特能力，引入了Chiplet集成的新方法。与需要硅通孔（TSV）进行连接的传统硅中介板不同，玻璃中介板通过允许存储Chiplet嵌入到逻辑Chiplet下方的相同位置来实现真正的三维堆叠。这种能力创造了研究人员称为"5.5D"集成的概念，在2.5D并排放置和完整3D堆叠之间架起了桥梁。

图1：截面比较显示了(a)使用TSV的传统2.5D硅中介板和(b)具有嵌入式Chiplet和玻璃通孔（TGV）的创新5.5D玻璃中介板

玻璃中介板的根本优势在于制造灵活性。玻璃基板允许通过湿法刻蚀或激光钻孔工艺创建腔体，其中腔体深度可以通过优化刻蚀速率或激光焦点来精确控制。这实现了Chiplet在基板内的直接嵌入，通过重分布层（RDL）创建垂直连接，同时保持相邻Chiplet之间的横向连接。

2制造能力和设计规则

玻璃中介板的制造工艺利用了几种先进技术，这些技术将其与硅替代方案区分开来。玻璃可以作为大面板进行处理，在构建具有众多Chiplet的系统时带来显著好处。玻璃的光滑表面能够实现与硅中介板类似的高密度布线图案，但由于面板级处理，潜在成本更低。

图2：制造样品展示了玻璃中介板技术的关键元素，包括RDL过孔、嵌入式芯片、玻璃通孔和RDL线路

当前制造能力达到了令人印象深刻的规格，包括最小线宽和间距为2微米，微凸点间距小至35微米，以及创建用于芯片嵌入的盲孔和通孔的能力。用于RDL制造的半加成图案化工艺采用薄钛层来改善铜布线与介电材料之间的粘附性。

3Chiplet设计和集成方法

玻璃中介板技术的实现需要Chiplet和中介板本身的仔细协同设计。使用OpenPiton RISC-V架构作为基准，研究人员展示了如何将复杂的处理器设计分割为逻辑和存储Chiplet，以利用玻璃中介板的能力。

图3：OpenPiton RISC-V架构显示了(a)单个tile架构和Chiplet分割策略，以及(b)使用TSMC 28nm技术的完整2D单片布局

分割策略专注于将L3缓存及其相关逻辑组合为存储Chiplet，同时将其余计算模块视为逻辑Chiplet。这种基于层次结构的分割确保Chiplet之间的最小切割大小，同时在给定微凸点间距约束的情况下保持实用的单元利用率。为了解决OpenPiton tile之间高带宽连接的挑战，设计者采用串行化模块，将64位并行连接减少到8位串行连接，显著减少了所需的I/O凸点数量。

图4：全面的Chiplet/中介板协同设计流程，显示了来自Cadence、Synopsys、Siemens和Ansys工具的集成，用于完整系统分析

4性能优势和比较分析

与传统硅基和有机替代方案相比，玻璃中介板的优势在检查关键性能指标时变得明显。玻璃中介板独特的3D堆叠能力在系统性能的多个维度上实现了显著改进。

图5：为不同中介板材料设计的Chiplet物理布局，显示了玻璃技术可实现的紧凑封装

面积效率代表了最显著的优势之一，玻璃中介板相比硅替代方案实现了2.6倍的面积利用率改善。这种改进直接源于在逻辑Chiplet下方堆叠存储Chiplet的能力，在相同封装面积内有效地将功能密度提高一倍。

线长减少提供了另一个实质性优势，玻璃中介板相比硅中介板展示了21倍的总线长缩短。这种显著改进源于嵌入式芯片所实现的垂直连接，消除了传统2.5D配置中所需的长水平布线路径。

5布局和布线策略

玻璃中介板设计的物理实现需要复杂的布局和布线策略，以充分利用基板材料的独特能力。与所有Chiplet必须并排放置的传统中介板不同，玻璃中介板能够使存储Chiplet直接嵌入到相同位置的逻辑Chiplet下方。

图6：俯视图比较Chiplet布局策略：(a)具有垂直堆叠逻辑和存储Chiplet的玻璃中介板，以及(b)其他中介板类型的传统并排布局

玻璃中介板的布线方法利用了垂直堆叠所实现的金属层需求减少。虽然硅中介板由于需要水平连接通常需要多个金属层进行信号布线，但玻璃中介板可以通过利用tile内垂直连接的堆叠过孔以更少的层数实现相同的连接性。

图7：电源传输网络比较，显示了(a)带有TGV端口的玻璃中介板和(b)带有TSV端口的硅中介板，展示了不同的电源分配方法

6信号和电源完整性分析

玻璃中介板的电气性能在信号完整性和电源传输方面相比传统替代方案都展现出显著优势。信号完整性分析表明，由于最短的线长实现，玻璃中介板实现了最宽的眼图，导致优越的信号质量和时序裕量。

图8：完整的中介板布线布局，显示了玻璃、硅、Shinko和APX中介板实现的金属层和连接模式

电源完整性分析显示了同样令人印象深刻的结果，玻璃中介板由于其优越的金属与介电厚度比和更厚的金属层而表现出最低的电源传输网络阻抗。这转化为更快的建立时间和电源瞬态期间更低的电压降，有助于整体系统稳定性和性能。

图9：眼图比较展示了不同中介板材料的信号完整性性能，玻璃显示了最佳的信号质量指标

7热考虑和管理

虽然玻璃中介板提供了众多电气和物理优势，但由于嵌入式芯片配置，热管理需要仔细考虑。热分析显示，嵌入式存储Chiplet经历稍高的温度，因为散热主要通过玻璃通孔到顶部重分布层进行，而不是直接到环境空气。

图10：电源传输网络阻抗曲线比较了玻璃、硅、Shinko和APX中介板在频率范围内的表现

然而，整体热性能保持在可接受的工作范围内，玻璃中介板实现中逻辑Chiplet的最高温度约为31.7°C，存储Chiplet为27.5°C。这些温度与其他中介板技术相比表现良好，并且保持在先进半导体器件的典型工作规格范围内。

图11：热分布分析显示了不同中介板材料的温度分布，展示了玻璃实现的可接受热性能

8结论和未来影响

玻璃中介板技术代表了Chiplet集成的显著进步，在面积效率、线长减少和电气性能方面提供了引人注目的优势。在基板内嵌入Chiplet的能力实现了真正的3D集成，同时保持了2.5D方法的制造优势。通过在面积方面实现2.6倍、在线长方面实现21倍的改进，以及在信号和电源完整性方面的显著提升，玻璃中介板为更高效和更高性能的异构系统提供了发展路径。随着半导体行业继续采用Chiplet架构构建下一代计算系统，玻璃中介板技术提供了一个解决方案，解决了传统集成方法固有的许多限制。

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