以下文章来源于SiP与先进封装技术 ,作者Suny Li
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1958年9月12日,温和的巨人杰克•基尔比(Jack Kilby)发明了集成电路,当时没有人知道,这项发明会给人类世界带来如此大的改变。
42年后,基尔比因为发明集成电路获得了2000年诺贝尔物理学奖,“为现代信息技术奠定了基础”是诺奖给予基尔比的中肯评价。
科学技术的进步往往是由一连串梦想而推动的,集成电路自然也不例外。
基尔比这位身高两米,性格温和稳重的TI工程师的梦想就是:“用硅一种材料来制作电路所需的所有器件”。
集成电路发明7年后,Intel创始人戈登•摩尔提出了他的预言式梦想:“集成电路上的器件数量每隔十八个月将翻一番”,这就是我们今天所熟知的摩尔定律。
最终,他们都实现了自己的梦想,推动了科技的巨大进步。两个伟大的梦想叠加在一起,也造就了今天的半导体产业。
“所有的器件都可以在一个硅片上集成,器件数量将以指数方式增长”,这就是我们对两个伟大的梦想的总结。六十多年后的今天,整个集成电路产业的发展依然以它们为基石!
Chiplet技术的出现带来了芯片设计的新变化,我们简单描述为:IP芯片化、集成异构化、集成异质化、IO增量化,简称为新“四化”。
Chiplet顾名思义就是小芯片,我们可以把它想象成乐高积木的高科技版本。首先将复杂功能进行分解,然后开发出多种具有单一特定功能,可进行模块化组装的“小芯片”(Chiplet),如实现数据存储、计算、信号处理、数据流管理等功能,并以此为基础,建立一个“小芯片”的集成系统。
简单来说,Chiplet技术就是像搭积木一样,把一些预先生产好的实现特定功能的芯片裸片(die)通过先进的集成技术封装在一起形成一个系统级芯片,而这些基本的裸片就是Chiplet。
Chiplet芯片可以使用更可靠和更便宜的技术制造。较小的硅片本身也不太容易产生制造缺陷。此外,Chiplet芯片也不需要采用同样的工艺,不同工艺生产制造的Chiplet可以通过SiP技术有机地结合在一起。
IP(Intelligent Property)是具有知识产权核的集成电路的总称,是经过反复验证过的、具有特定功能的宏模块,可以移植到不同的半导体工艺中。到了SoC阶段,IP核设计已成为ASIC电路设计公司和FPGA提供商的重要任务,也是其实力的体现。对于芯片开发软件,其提供的IP核越丰富,用户的设计就越方便,其市场占用率就越高。目前,IP核已经变成SoC系统设计的基本单元,并作为独立设计成果被交换、转让和销售。
IP核对应描述功能行为的不同分为三类,即软核(Soft IP Core)、固核(Firm IP Core)和硬核(Hard IP Core)。
当IP硬核是以硅片的形式提供时,就变成了Chiplet。
2. 集成异构化
3. 集成异质化
HeteroMaterial Integration
近年来集成硅(CMOS和BiCMOS)射频技术已经在功率上取得巨大的进步,同时也将频率扩展到了100GHz左右。然而还有众多应用只能使用像磷化铟(InP)和氮化镓(GaN)这样的化合物半导体技术才能实现。磷化铟能提供最大频率为1太赫兹的晶体管,具备高增益和高功率,以及超高速混合信号电路。而氮化镓能使器件具备大带宽、高击穿电压、以及高达100GHZ的输出功率。
因此将不同材料的半导体集成为一体——即异质集成HeteroMaterial Integration,可产生尺寸小、经济性好、设计灵活性高、系统性能更佳的产品。
如下图所示,将Si、GaN、SiC、InP生产加工的Chiplet通过异质集成技术封装到一起,形成不同材料的半导体在同一款封装内协同工作的场景。
4. IO增量化
从基尔比开始,同构集成技术经过六十多年的发展,已经相当成熟,并逐渐走向极致,同时,摩尔定律以指数增长的趋势也难以为继,人类必须寻找一种新的集成方式来进行延续,这就是异构集成。
异构集成以更灵活的方式让功能单位在系统空间进行集成,并让系统空间的功能密度持续增长,只是这种增长不再以指数方式增长。
异构集成的单元可称之为Chiplet,Chiplet技术给集成电路产业带来了新的变化,该技术既有新的优势也带来了新的挑战。
总结一下,Chiplet带给集成技术的新变化就是:IP芯片化、集成异构化、集成异质化、IO增量化,我们称之为Chiplet技术带来的新“四化”。
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