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半导体工艺（16）I 先进封装 I Chiplet/芯粒

2024年07月03日 08:43 浏览：123 来源：小萍子

Chiplet（芯粒或小芯片）是一种半导体设计和封装技术，它涉及将一个大的系统芯片（System on Chip, SoC）分解为多个具有特定功能的小型芯片或模块。这些模块被称为Chiplet，它们可以独立设计和制造，然后通过先进的封装技术（如3D集成、2.5D集成、多芯片模块MCM等）重新组合在一起，形成一个完整的系统。

SoC（System on Chip）的发展：

下图是早期的计算机电路架构图，由CPU, 南北桥，GPU, Audio等等各个不同功能单元组成，发展到今天，我们再打开笔记本电脑来看，很多的单元已经集成到CPU里面，例如南北桥，GPU，等等。

（图一早期电脑电路架构）

在数字时代，除了电脑、手机和平板这些我们日常生活中的电子设备，还有云端计算，大数据分析，人工智能，自动驾驶等等领域，这些设备的性能和效率在很大程度上取决于它们的心脏——CPU，GPU和SoC。随着技术的发展，这些核心组件的电路架构和工艺制程经历了翻天覆地的变化，集成度不断提高，性能也日益强大。现代SoC的集成度已经达到了前所未有的高度。除了多核CPU核心，现代SoC还包括GPU（移动设备SOC）、NPU（神经网络处理单元）、DSP（数字信号处理器），以及其他必要的系统组件，如内存控制器、输入/输出端口，等等。

(图二苹果A17: 3nm, 6核CPU+6核GPU+16核NPU)

通常提高SOC芯片集成度的目的是为了降低成本，减少功耗，提升性能，等等。尽管半导体制程越来越先进，尺寸越来越小，但集成的晶体管数量越来越多，集成的IP模块越来越多，相应的单芯片裸Die面积越来越大，Gross die越来越少，由此单张晶圆良率越来越低，相应成本也越来越高，从45nm发展到14纳米，成本翻了一番，再到7nm成本是45nm的4倍。

（图三制程 vs 成本）

与SOC的单片集成理念相反，Chiplet是将一块原本集成各种IP的SOC单芯片从设计时按照不同功能进行分解，再把每个分解单元用最合适的半导体制程工艺进行分别制造，再通过先进封装技术将各单元集成封装成一个系统级的芯片组。

Chiplet技术在芯片生产中具有以下优势：

1. 提高良品率，优化成本，减小产能压力：

通过将大芯片分割成小块的Chiplet，减少了因单个大裸片中的缺陷而导致的整个芯片的废弃，从而提高了整体的良品率。当前全球先进制程的产能主要集中在台积电，三星，英特尔几家巨头手里，但相比人工智能，数据中心，智能驾驶等市场的高速发展需求，先进制程产能远远不够。况且先进制程良率低，价格高等因素不利于先进技术的普及和发展。

对我国而言，在当前无法获得先进制程设备和技术支持的环境下，利用chiplet技术恰好可以缓解当前AI飞速发展需求和先进制程缺失的矛盾。但chiplet无法替代先进制程，只是我们牺牲些许性能，功耗，空间等等因素，至少可以向国内市场提供基本的产品供应，也为中国在先进制程和设备的研发进度上争取宝贵时间，最终实现整体的半导体技术飞越。

（图四良率与裸片面积关系）

2. 优化生产效率和支持异构集成：

Chiplet技术允许使用最合适的工艺来制造不同功能的芯粒，满足数字、模拟、射频、I/O等不同技术需求，这有助于提高产业链的生产效率。

（图五 Chiplet 异构集成）

3. 降低设计复杂度，降低研发风险，缩短研发周期：

SoC分解为模块化的Chiplet，减少了重复的设计和验证环节，简化了设计流程，加快了产品迭代速度。Chiplet集成了广泛应用和成熟的裸片，减少了重新流片和封装的次数，降低了研制风险，并且缩短研发周期，加速产品上市进度。甚至可以对芯片部分单元进行选择性迭代，快速推出新产品。

（图六研发周期及技术成熟度）

总结来说，Chiplet技术通过模块化设计和先进封装工艺，实现了芯片生产的高良率、低成本、快速迭代和高集成度，有助于推动半导体行业的持续发展和创新。Chiplet技术是一种与先进制程技术互补的技术策略，它可以在良率、成本、灵活性和风险管理等方面提供优势，同时推动半导体行业的创新和发展。