大約兩、三年前，多芯片(Multi-Die)系統在行業中還較為罕見，當時僅有少數公司探索基于2.5D中介層的設計。然而，隨著高性能計算的興起，越來越多的公司開始競相轉向2.5D，以及3D。Multi-Die系統快速發展。所以如果現在你還不了解Multi-Die系統的原理、本質和作用，那么你可能會顯得有點落后了。

無論是探索Multi-Die系統，還是在設計中實施架構，開發者都需要了解整個半導體供應鏈生態系統的來龍去脈，才能夠更從容的在架構中創造出更好的設計。在新思科技最近組織的一次行業座談會中，來自Ansys、博世、英特爾、三星以及新思科技內部的專家，共同探討了Multi-Die系統迅速普及的原因，未來將面臨的挑戰，以及各個大廠是如何挖掘Multi-Die系統潛力等多個精彩話題。

01.Multi-Die系統：起于但卻不止于高性能計算

誠然，高性能計算是Multi-Die系統興起的重要推動力，所有這些新的AI應用、大型語言模型（LLM），如ChatGPT，他們要處理的工作量是巨大的，迫切需要更高效的計算方式。應用程序中的性能需求每兩年增長800倍，這顯然是摩爾定律所無法實現的。

而Multi-Die技術在解決核心擴展問題和當前2D單芯片的限制方面具有顯著優勢，新思科技負責Multi-Die系統解決方案資深產品總監Shekhar Kapoor認為，從技術和成本角度來看，Multi-Die系統正在解決當下行業內的四大挑戰：“

1）技術擴增的難題，摩爾定律的回報遞減；

2）掩膜版的大小無法持續增加；

3）新制程節點的成本不斷攀升，良率也隨著芯片的增大變得越來越低；

4）SoC中數據的傳入、傳出需求巨大，如何讓數據和存儲靠的更近？”

利用Multi-Die系統能實現異構集成，并且利用較小Chiplet實現更高良率，更小的外形尺寸和緊湊的封裝，降低系統的功耗和成本。Ansys半導體產品研發主管Murat Becer指出：“3DIC正在經歷爆炸性增長，我們預計今年3DIC設計的數量將是去年的3倍左右。”

正是由于Multi-Die系統的這些優勢，業界開始思考如何將其應用在更多領域。而在眾多應用中，快速發展的汽車市場，以及處理器逐漸走到物理極限的移動設備，則是Multi-Die系統的兩個潛在的應用市場。

正如我們所看到的，汽車行業正在從L1、L2向著L3、L4的自動駕駛等級邁進，要滿足這些日益增長的自動駕駛需求，你不能將一排排的計算機直接放進汽車中，而是需要切實考慮它的外形尺寸，以便提供合適的處理能力和能效，這就推動了對Multi-Die技術的采納。“隨著未來汽車轉向軟件定義汽車，汽車中代碼量不斷激增，當今的汽車中可能有100~1億行代碼，到2030年底，代碼行數可能會增長到現在的3-5倍，達到接近8億行。但汽車行業具有一定規模，我們不可能為每輛車設計專用芯片。因此，我們非常希望能夠將這些Chiplet技術應用到汽車中，把其他行業最新最好的技術在整個汽車產品組合上實現可擴展性。”博世半導體部門Michael Schafferi強調。

“雖然移動設備市場還在觀望，但他們在面對外形尺寸和掩膜版的挑戰時也是沒有選擇的。”新思科技的Shekhar Kapoor表示，他們研究了100多個涵蓋各種封裝類型和各種應用的Multi-Die項目，發現包括政府在內的數十億美元的資金已經投入到了這一領域，未來Multi-Die系統的采用速度將大幅加快。三星負責先進封裝業務開發副總裁Cheolmin Park表示：“我們不難發現，出于成本考慮，移動市場希望將不同的功能分解為高級節點和更經濟的節點，因此也開始嘗試實施Multi-Die系統。”

總而言之，人們已經開始發揮創造力，嘗試利用先進封裝能力和Multi-Die系統來實現他們的需求，更多市場的普及和應用只是早晚的問題。

因此，隨著多個行業對速度更快、功耗更低、帶寬更高的半導體的巨大需求，未來我們可能會在AI、機器學習、CPU、GPU和移動應用中看到Multi-Die系統的部署。Multi-Die系統將是各領域的廠商，從成本甚至是產品的角度通過創造差異化而獲益的大好機會。

02.Multi-Die系統自身發展面臨哪些挑戰？

雖然Multi-Die技術解決了當下的一些行業痛點，但其自身發展也面臨著新的挑戰。假如放眼全球，我們可能會看到通常Chiplet設計整合僅僅在個別的公司所實現。就目前而言，Multi-Die系統并不適用于所有項目，一方面因為其成本和復雜性方面的因素，另一方面是Multi-Die系統還處于發展階段，在知識和經驗上的缺口還需行業共同努力填補。

英特爾架構、設計和技術解決方案副總裁Lalithe Immaneni也強調，在EDA領域，Multi-Die系統面臨三大挑戰：“

1）對于Multi-Die系統而言，EDA不僅僅是執行和構建這些3DIC結構，更多的在于協同設計和架構。

2）配套的IP如何開發？UCIe是一個良好的開端，遵循JEDEC標準的HBM是另一個例子。

3）如何大批量生產這些Multi-Die系統？這就輪到封裝大顯身手了，這也是封裝的黃金發展時代。”

Ansys的Murat Becer補充到：“3DIC技術的發展對EDA提出了多維挑戰，不僅包括電源完整性和信號完整性，還有大規模集成設計引起的熱管理問題和信號完整性分析的復雜性。EDA社區必須提升多物理場、多尺度的建模與仿真能力來設計這些復雜系統，并確保其高效生產。”

面對上述這些挑戰，僅憑一家公司是無法解決的，行業合作是未來的關鍵。只有各個環節的供應鏈廠商建立起合作關系，協同驗證芯片、3D系統和封裝，才能使3DIC設計、簽核和制造取得成功。

03.Multi-Die生態系統：可以在標準化中合作，在實現方面競爭

天下大勢，分久必合，合久必分。我們不難看到，在整個半導體行業，越來越多的重新融合正在發生，代工廠和設計廠商之間的聯系愈發密切，代工廠除生產制造外，加入了更多物理場和新方法相關的專業知識。Ansys、三星、英特爾、博世和新思科技也正在緊密合作，并在設計周期的幾個關鍵環節進行合作。

博世的Michael Schafferi強調：“面對半導體短缺暴露出的供應鏈脆弱性，我們要想將多個Chiplet整合到單一封裝中，對于Multi-Die系統的良好發展，我們的愿景是建立一個開放的生態系統，實現真正有彈性的供應鏈。要達成這一愿景，就需要廣泛的標準支持。在標準建立方面，我期待并希望業界熱衷于與合作伙伴甚至競爭對手真正的合作，建立統一的標準。我們在標準化方面合作，但是可以在實現方面競爭。”

說到標準，UCIe是Die-to-Die連接標準方面的一個很好的例子，UCIe為封裝級互聯、IO和技術方面帶來了大量的專業知識。而要想Multi-Die系統的大規模采用和發展，這還遠遠不夠。

三星的Cheolmin指出：“鑒于當下先進封裝的重要性越來越凸顯，為了實現規模經濟并向客戶提供價值，我們需要探索如何將封裝流程標準化，還有構建、限定它的方法，以及進入類似汽車等特定細分市場的方法等等。”

英特爾的Lalithe Immaneni也表示：“UCIe正在不斷適應3DIC，并提高超高密度互聯、小于25微米的凸塊兼具、更快的速度。除此之外，在裸片內存連接等方面還需要進一步標準化，比如HBM4；在EDA領域，可互操作性的EDA標準也非常關鍵；在制造設備領域，當我們把來自各個供應商的Chiplet、封裝組合在一起時，也應當需要滿足一定的標準規格。”

“關于IP復用，是否應該有一個針對所有這些3D堆疊的3D優化IP、3D強化IP，以支持正在涉及到的各種配置，例如面對面和面對背配置，我們是否需要一個棧上垂直通信的標準協議？”新思科技Shekhar談到上述關于新標準的制定。

因此，整個行業應共同努力，推動集成EDA工具標準、Die-to-Die IP連接標準、制造和封裝標準，乃至研究設備兼容性標準的發展，以加快這些Multi-Die系統的上市時間（TTM）并提高效率。

04.加速Multi-Die系統的采用，還有哪些捷徑？

裸片或Chiplet是Multi-Die系統的基本組成部分，它們常常在不同的制程節點上或由不同的代工廠制造。那么，在Chiplet市場中是否可能存在使IP復用更簡單或更具可擴展性的可能？這是否能加速Multi-Die系統的進一步發展？

對此問題，Ansys的Murat表示：“如果產業界緊密合作，創建一個chiplet庫，芯片公司就可以從這個庫中挑選合適的Chiplet并將其整合到自己的3DIC設計中。此外，每個Chiplet都應該真正包含基于物理的模型，以實現3DIC級別的多物理場驗證。

英特爾Lalithe對于建立一個富有成效的Chiplet生態系統持積極態度。利用來自不同供應商在各工藝節點上驗證的IP，可以顯著提速產品上市。復用性、可擴展性以及在降低成本和提升性能方面，Chiplet生態系統提供了更多可能。

“驅動IP復用有兩大因素：第一是成本，第二是上市時間。”博世的Michael對此進一步解釋道，“首先，你會發現Chiplet的開發成本非常高，能夠復用于多個行業Chiplet的公司將處于更有利的位置；在當今時代，時間就是金錢，中國汽車市場的發展速度驚人，我們必須要及時跟上潮流。”

但歸根結底，對于Multi-Die系統的長遠發展，長期可靠性是至關重要的因素。要達到這一目標，需要整個供應鏈進行層層把關。

Ansys的Murat Becer強調了兩點：“首先，要確保Multi-Die系統的設計和驗證方法足夠可信，通過多物理場驗證和跨平臺合作，確保系統的可靠性；其次，針對3DIC系統的特殊性，由于設計自由度和參數的顯著提升，高效的早期原型設計至關重要。”

“如果你觀察Multi-Die系統的整體構成，就會發現可靠性、良率、安全性，所有這些問題都開始凸顯，整個系統中最弱的部分決定了整體的表現。”新思科技的Shekhar指出，需要用全局的眼光看待問題，不僅必須確保每個部分的可靠性，還要確保整個系統的可靠性，對所有裸片進行更復雜的模型管理。比如，一個簡單的雙裸片、一個中介層和一個封裝，他們各自有95%的良率，但是放在一起，最終只有80%的良率。在Chiplet庫中，Chiplet可能來自不同的供應商，這可能會增加其可靠性方面的挑戰，那么它必須具有可追溯性、監測數據、安全簽名等。關于這些，新思科技的siliconDASH數據分析技術將可以用來分析、校對和合并來自不同來源的所有數據。

三星的Cheolmin Park指出：“Multi-Die系統和先進封裝引入的新組件，比如硅通孔（TSV）和封裝層面的組件，都是新挑戰。這些系統的帶寬、凸塊數量以及連通性都比以前有了質的飛躍，再加上熱管理的復雜性，這要求我們從性能、功耗和可靠性角度全面理解組件間的相互作用。為此，我們需要在EDA合作伙伴的工具集中包含這些因素，以便在客戶現場測試前就能預測組件和封裝級別的長期可靠性。這就要求我們與EDA供應商緊密合作，并盡可能透明地交換數據集。”

05.總結

在這場關于Multi-Die系統綜合問題的討論中，行業專家們的見解讓我們得以了解現在Multi-Die發展的來龍去脈，并窺見了未來的輪廓。這些觀點不僅呈現了一個技術進步迅猛的行業圖景，而且也描繪了一個需要創新思維和跨學科合作的未來。面對Multi-Die系統所引領的新技術革命的浪潮，行業正在步入一個以系統為核心，合作共贏為基石的新時代。隨著云計算和人工智能的融入，我們可以預見，無論是在設計理念、生產流程還是最終產品方面，未來都將呈現前所未有的變化。正如這些專家所展示的那樣，不斷的創新和適應，將是推動行業發展、迎接挑戰的不竭動力。