汽車半導(dǎo)體設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)向Chiplet

本文由半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)縱橫（ID：ICVIEWS）編譯自eetasia

Chiplet為應(yīng)對(duì)行業(yè)日益增長(zhǎng)的功能需求和成本壓力這兩大挑戰(zhàn)提供了極具吸引力的解決方案。

汽車行業(yè)面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。如何在規(guī)模化生產(chǎn)中集成日益復(fù)雜的電子系統(tǒng)，同時(shí)保持成本競(jìng)爭(zhēng)力。傳統(tǒng)的單片系統(tǒng)級(jí)芯片 (SoC) 設(shè)計(jì)雖然功能強(qiáng)大，但在擴(kuò)展到汽車量產(chǎn)規(guī)模時(shí)卻會(huì)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。芯片組 (Chiplet) 技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，成為一種極具吸引力的解決方案，它通過(guò)模塊化、良率優(yōu)化和 IP 模塊的設(shè)計(jì)復(fù)用，顯著降低了成本。

以典型的高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS) 控制器為例，它需要高性能計(jì)算核心、專用人工智能加速器、多個(gè)通信接口和電源管理電路。在單芯片設(shè)計(jì)中，整個(gè)系統(tǒng)將采用昂貴的先進(jìn)工藝節(jié)點(diǎn)（例如 7nm 或 5nm）制造在單個(gè)大型芯片上。如果該大型芯片的任何部分存在制造缺陷，則整個(gè)芯片將無(wú)法使用，導(dǎo)致良率低下。

芯片組方案從根本上改變了這種經(jīng)濟(jì)格局。與使用單個(gè)大型芯片不同，同樣的ADAS控制器可以使用多個(gè)小型芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)：采用7nm工藝的CPU芯片組用于提升性能，采用22nm工藝的內(nèi)存接口芯片組用于降低成本，采用專用工藝的模擬射頻芯片組，以及采用成熟的65nm工藝的電源管理芯片組。每個(gè)芯片組都可以獨(dú)立制造和測(cè)試，只有經(jīng)過(guò)驗(yàn)證合格的芯片才會(huì)被組裝到最終封裝中。這種方法通常可以將系統(tǒng)總成本降低20%至40%，同時(shí)將制造良率從60%至70%提高到90%以上。

什么是芯片組？

戈登·摩爾在他的論文《將更多組件塞進(jìn)集成電路》中已經(jīng)提到了多芯片器件的發(fā)展趨勢(shì)。

圖 1：先進(jìn)封裝技術(shù)發(fā)展時(shí)間線（圖片由 Cadence 提供）

芯片組架構(gòu)代表著與傳統(tǒng)半導(dǎo)體設(shè)計(jì)理念的范式轉(zhuǎn)變。它并非將所有系統(tǒng)功能集成到單個(gè)硅片上，而是將復(fù)雜的系統(tǒng)分割成更小、功能獨(dú)立的半導(dǎo)體芯片，這些芯片通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化的高速互連進(jìn)行通信。

每個(gè)芯片組在整個(gè)系統(tǒng)中都承擔(dān)著特定的功能。可以把它想象成用樂(lè)高積木搭建，而不是從一塊大理石上雕刻。例如，圖形芯片組負(fù)責(zé)視覺處理，CPU芯片組負(fù)責(zé)通用計(jì)算，內(nèi)存芯片組提供存儲(chǔ)空間，I/O芯片組負(fù)責(zé)外部通信。這些組件通常采用不同的工藝技術(shù)分別制造，這些工藝技術(shù)針對(duì)各自的特定功能進(jìn)行了優(yōu)化，然后使用先進(jìn)的封裝技術(shù)將它們組裝成單個(gè)封裝。

關(guān)鍵區(qū)別在于互連標(biāo)準(zhǔn)。與傳統(tǒng)的芯片級(jí)互連（不同芯片通過(guò)速度相對(duì)較慢的封裝級(jí)連接進(jìn)行通信）不同，芯片組采用超高帶寬、低延遲的互連技術(shù)，例如英特爾的先進(jìn)接口總線 (AIB)、AMD 的 Infinity Fabric 或新興標(biāo)準(zhǔn)，如通用芯片組互連高速接口 (UCIe)。這些連接的性能接近片上通信，使芯片組系統(tǒng)在功能上如同單芯片 SoC，而這正是其真正優(yōu)勢(shì)所在。

芯片設(shè)計(jì)的改變

圖 2：從單片式到芯片式

芯片組設(shè)計(jì)需要對(duì)傳統(tǒng)的集成電路設(shè)計(jì)方法進(jìn)行根本性的重新思考。該過(guò)程始于系統(tǒng)級(jí)劃分，工程師們（不一定來(lái)自同一家公司）必須仔細(xì)分析整體系統(tǒng)需求，并確定劃分為各個(gè)芯片組的邏輯邊界。

分區(qū)決策涉及幾個(gè)關(guān)鍵因素。需要頻繁、高帶寬通信的功能通常應(yīng)保留在同一個(gè)芯片組內(nèi)，以最大限度地減少芯片組間的通信量。電源域和不同的工藝技術(shù)要求提供了天然的邊界。例如，模擬電路通常需要與數(shù)字邏輯不同的工藝節(jié)點(diǎn)，因此它們是獨(dú)立芯片組的理想選擇。

芯片劃分完成后，每個(gè)芯片組都必須采用標(biāo)準(zhǔn)化的接口設(shè)計(jì)。這與傳統(tǒng)的集成電路設(shè)計(jì)截然不同，傳統(tǒng)集成電路設(shè)計(jì)可以針對(duì)特定應(yīng)用場(chǎng)景優(yōu)化內(nèi)部接口。芯片組接口必須遵循行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或?qū)Ｓ袇f(xié)議，這些標(biāo)準(zhǔn)或協(xié)議定義了電氣特性、時(shí)序要求和通信協(xié)議。

芯片封裝的物理設(shè)計(jì)變得更加復(fù)雜。傳統(tǒng)的布局規(guī)劃現(xiàn)在必須考慮高速串行器/解串器 (SerDes) 電路的放置、跨越多個(gè)芯片的供電網(wǎng)絡(luò)以及多芯片封裝的熱管理。信號(hào)完整性分析不僅要考慮芯片內(nèi)部的布線，還要考慮封裝級(jí)互連以及相鄰芯片之間潛在的串?dāng)_。

驗(yàn)證和測(cè)試策略也需要進(jìn)行調(diào)整。每個(gè)芯片在組裝前都必須進(jìn)行徹底的獨(dú)立測(cè)試，這就需要全面的內(nèi)置自測(cè)試 (BIST) 功能。組裝后的測(cè)試變得更具挑戰(zhàn)性，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的邊界掃描技術(shù)可能無(wú)法充分覆蓋芯片間的連接。

圖 3：一個(gè)帶有 8 個(gè)芯片的交換機(jī)。

將不同芯片集成到單個(gè)封裝中的挑戰(zhàn)

芯片系統(tǒng)集成面臨的挑戰(zhàn)涉及多個(gè)工程領(lǐng)域，每個(gè)領(lǐng)域都存在獨(dú)特的技術(shù)障礙，必須克服這些障礙才能成功實(shí)施。

散熱管理或許是其中最嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。多個(gè)相鄰的芯片會(huì)產(chǎn)生大量熱量，形成熱點(diǎn)，從而降低性能或?qū)е驴煽啃詥?wèn)題。因此，先進(jìn)的散熱解決方案，包括嵌入式冷卻結(jié)構(gòu)、導(dǎo)熱界面材料以及精心設(shè)計(jì)的電源供應(yīng)系統(tǒng)，變得至關(guān)重要。不同芯片材料之間的熱膨脹系數(shù)差異會(huì)導(dǎo)致機(jī)械應(yīng)力，進(jìn)而可能在溫度循環(huán)過(guò)程中造成焊點(diǎn)失效或芯片開裂。

芯片數(shù)量越多，供電復(fù)雜性呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。每個(gè)芯片可能需要多個(gè)電壓域，每個(gè)電壓域都有特定的電流和噪聲要求。封裝必須為所有芯片提供純凈、穩(wěn)定的電源，同時(shí)最大限度地減少互連網(wǎng)絡(luò)上的電壓降。先進(jìn)的封裝技術(shù)，例如硅通孔 (TSV) 和嵌入式電壓調(diào)節(jié)器，有助于應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，但也會(huì)增加成本和設(shè)計(jì)復(fù)雜性。

芯片間互連的信號(hào)完整性需要格外注意阻抗匹配、串?dāng)_最小化和時(shí)序收斂。高速信號(hào)在封裝級(jí)互連中傳輸時(shí)，面臨著與片上布線不同的挑戰(zhàn)，包括更大的寄生效應(yīng)、潛在的電磁干擾以及封裝基板上的工藝偏差。

制造和組裝環(huán)節(jié)也面臨諸多挑戰(zhàn)。已知合格芯片的測(cè)試至關(guān)重要，因?yàn)榻M裝后更換單個(gè)缺陷芯片通常不經(jīng)濟(jì)。組裝工藝必須實(shí)現(xiàn)多個(gè)芯片之間的精確對(duì)準(zhǔn)和粘合，而這些芯片的尺寸和厚度往往各不相同。由于故障模式可能出現(xiàn)在芯片級(jí)、互連級(jí)或系統(tǒng)級(jí)，質(zhì)量控制和可靠性測(cè)試也變得更加復(fù)雜。

軟件和固件集成又增加了一層復(fù)雜性。操作系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)程序必須了解芯片架構(gòu)，才能優(yōu)化性能、管理功耗并處理潛在的故障模式。緩存一致性協(xié)議必須跨越多個(gè)芯片，這需要精心協(xié)調(diào)才能維持系統(tǒng)級(jí)性能。

Chiplet在汽車行業(yè)的應(yīng)用實(shí)例

汽車行業(yè)為芯片技術(shù)提供了許多引人注目的應(yīng)用案例，每個(gè)案例都充分利用了模塊化半導(dǎo)體架構(gòu)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS) 是其最突出的應(yīng)用領(lǐng)域。現(xiàn)代 ADAS 控制器需要多種計(jì)算能力：用于處理攝像頭數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)視覺處理器、雷達(dá)信號(hào)處理器、激光雷達(dá)處理單元、傳感器融合引擎以及安全關(guān)鍵型控制邏輯。基于芯片組的 ADAS 控制器可能集成用于通用處理的高性能 CPU 芯片組、用于機(jī)器學(xué)習(xí)推理的專用 AI 加速芯片組、用于傳感器數(shù)據(jù)的專用信號(hào)處理芯片組以及符合汽車 功能安全標(biāo)準(zhǔn) (ISO 26262) 的安全關(guān)鍵型微控制器芯片組。

與單芯片實(shí)現(xiàn)方案相比，這種方法具有多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)。不同的芯片組可以采用最佳工藝技術(shù)進(jìn)行制造——人工智能加速器采用尖端工藝節(jié)點(diǎn)以實(shí)現(xiàn)最佳性能，安全微控制器采用成熟可靠的工藝，模擬傳感器接口采用專用混合信號(hào)工藝。模塊化架構(gòu)還支持可擴(kuò)展的產(chǎn)品系列，其中基礎(chǔ)型ADAS系統(tǒng)使用的芯片組較少，而高端系統(tǒng)則集成了額外的處理功能。

車載信息娛樂(lè)系統(tǒng)從芯片模塊化中獲益匪淺。典型的車載信息娛樂(lè)系統(tǒng)需要圖形處理（用于多個(gè)顯示屏）、音頻數(shù)字信號(hào)處理、連接模塊（Wi-Fi、藍(lán)牙、蜂窩網(wǎng)絡(luò)）以及用于應(yīng)用程序的通用計(jì)算。芯片模塊化設(shè)計(jì)使制造商能夠采用來(lái)自消費(fèi)電子領(lǐng)域的成熟圖形芯片、專用的汽車級(jí)連接芯片以及成本優(yōu)化的應(yīng)用處理器芯片。

電動(dòng)汽車 (EV) 動(dòng)力系統(tǒng)是另一個(gè)引人注目的應(yīng)用領(lǐng)域。電動(dòng)汽車控制系統(tǒng)需要高壓電源管理、電機(jī)控制算法、電池管理功能和車輛通信接口。基于芯片組的方法可以將高壓模擬電路與敏感的數(shù)字處理分離，通過(guò)將發(fā)熱功能分布到多個(gè)芯片上來(lái)改善散熱管理，并允許使用合適的工藝技術(shù)優(yōu)化不同的功能。

車身控制模塊負(fù)責(zé)管理照明、車門控制、車窗升降和空調(diào)系統(tǒng)等功能，可以利用芯片組架構(gòu)打造可擴(kuò)展且經(jīng)濟(jì)高效的解決方案。基礎(chǔ)配置可能僅使用最少的芯片組來(lái)實(shí)現(xiàn)基本功能，而豪華車型則會(huì)集成更多芯片組來(lái)實(shí)現(xiàn)高級(jí)功能。

結(jié)論

Chiplet 技術(shù)代表了一種變革性的汽車半導(dǎo)體設(shè)計(jì)方法，為應(yīng)對(duì)行業(yè)日益增長(zhǎng)的功能需求和成本壓力這兩大挑戰(zhàn)提供了極具吸引力的解決方案。其經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)顯而易見：更高的制造良率、通過(guò)設(shè)計(jì)復(fù)用降低的開發(fā)成本以及針對(duì)不同功能優(yōu)化的工藝技術(shù)選擇，與單片式方案相比，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)成本降低 20% 至 40%。

然而，芯片組的成功實(shí)現(xiàn)需要掌握新的設(shè)計(jì)方法、先進(jìn)的封裝技術(shù)以及應(yīng)對(duì)復(fù)雜的集成挑戰(zhàn)。跨多芯片系統(tǒng)的熱管理、電源傳輸和信號(hào)完整性都需要精密的工程解決方案。汽車行業(yè)嚴(yán)格的可靠性和安全性要求，更使本已極具挑戰(zhàn)性的設(shè)計(jì)問(wèn)題雪上加霜。

盡管面臨這些挑戰(zhàn)，早期采用者已證明芯片組技術(shù)在汽車應(yīng)用中的可行性。隨著行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的成熟和設(shè)計(jì)方法的演進(jìn)，芯片組技術(shù)有望成為復(fù)雜汽車電子系統(tǒng)的主導(dǎo)架構(gòu)。該技術(shù)為汽車電子領(lǐng)域的持續(xù)創(chuàng)新提供了一條切實(shí)可行的途徑，同時(shí)保持了大眾市場(chǎng)普及所需的成本結(jié)構(gòu)。

汽車電子的未來(lái)不在于不斷增大單芯片的尺寸，而在于將功能智能地分解成優(yōu)化的、可重復(fù)使用的芯片模塊。對(duì)于汽車工程師而言，理解并接受這種架構(gòu)轉(zhuǎn)變至關(guān)重要，它能幫助他們開發(fā)出下一代汽車電子系統(tǒng)，從而以具有競(jìng)爭(zhēng)力的成本提供先進(jìn)的功能。

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