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引言

半導體行業(yè)持續(xù)推進性能和集成度的邊界，Chiplet技術(shù)作為克服傳統(tǒng)單片設(shè)計局限性的解決方案正在興起。在各種Chiplet集成方法中，玻璃中介板代表了一個突破性進展，提供了傳統(tǒng)硅基或有機基板無法實現(xiàn)的獨特能力。本文探討創(chuàng)新的"5.5D"玻璃中介板架構(gòu)及其相比傳統(tǒng)2.5D集成方法的顯著優(yōu)勢。

1玻璃中介板架構(gòu)理解

玻璃中介板通過將Chiplet直接嵌入基板內(nèi)部的獨特能力，引入了Chiplet集成的新方法。與需要硅通孔（TSV）進行連接的傳統(tǒng)硅中介板不同，玻璃中介板通過允許存儲Chiplet嵌入到邏輯Chiplet下方的相同位置來實現(xiàn)真正的三維堆疊。這種能力創(chuàng)造了研究人員稱為"5.5D"集成的概念，在2.5D并排放置和完整3D堆疊之間架起了橋梁。

圖1：截面比較顯示了(a)使用TSV的傳統(tǒng)2.5D硅中介板和(b)具有嵌入式Chiplet和玻璃通孔（TGV）的創(chuàng)新5.5D玻璃中介板

玻璃中介板的根本優(yōu)勢在于制造靈活性。玻璃基板允許通過濕法刻蝕或激光鉆孔工藝創(chuàng)建腔體，其中腔體深度可以通過優(yōu)化刻蝕速率或激光焦點來精確控制。這實現(xiàn)了Chiplet在基板內(nèi)的直接嵌入，通過重分布層（RDL）創(chuàng)建垂直連接，同時保持相鄰Chiplet之間的橫向連接。

2制造能力和設(shè)計規(guī)則

玻璃中介板的制造工藝利用了幾種先進技術(shù)，這些技術(shù)將其與硅替代方案區(qū)分開來。玻璃可以作為大面板進行處理，在構(gòu)建具有眾多Chiplet的系統(tǒng)時帶來顯著好處。玻璃的光滑表面能夠?qū)崿F(xiàn)與硅中介板類似的高密度布線圖案，但由于面板級處理，潛在成本更低。

圖2：制造樣品展示了玻璃中介板技術(shù)的關(guān)鍵元素，包括RDL過孔、嵌入式芯片、玻璃通孔和RDL線路

當前制造能力達到了令人印象深刻的規(guī)格，包括最小線寬和間距為2微米，微凸點間距小至35微米，以及創(chuàng)建用于芯片嵌入的盲孔和通孔的能力。用于RDL制造的半加成圖案化工藝采用薄鈦層來改善銅布線與介電材料之間的粘附性。

3Chiplet設(shè)計和集成方法

玻璃中介板技術(shù)的實現(xiàn)需要Chiplet和中介板本身的仔細協(xié)同設(shè)計。使用OpenPiton RISC-V架構(gòu)作為基準，研究人員展示了如何將復雜的處理器設(shè)計分割為邏輯和存儲Chiplet，以利用玻璃中介板的能力。

圖3：OpenPiton RISC-V架構(gòu)顯示了(a)單個tile架構(gòu)和Chiplet分割策略，以及(b)使用TSMC 28nm技術(shù)的完整2D單片布局

分割策略專注于將L3緩存及其相關(guān)邏輯組合為存儲Chiplet，同時將其余計算模塊視為邏輯Chiplet。這種基于層次結(jié)構(gòu)的分割確保Chiplet之間的最小切割大小，同時在給定微凸點間距約束的情況下保持實用的單元利用率。為了解決OpenPiton tile之間高帶寬連接的挑戰(zhàn)，設(shè)計者采用串行化模塊，將64位并行連接減少到8位串行連接，顯著減少了所需的I/O凸點數(shù)量。

圖4：全面的Chiplet/中介板協(xié)同設(shè)計流程，顯示了來自Cadence、Synopsys、Siemens和Ansys工具的集成，用于完整系統(tǒng)分析

4性能優(yōu)勢和比較分析

與傳統(tǒng)硅基和有機替代方案相比，玻璃中介板的優(yōu)勢在檢查關(guān)鍵性能指標時變得明顯。玻璃中介板獨特的3D堆疊能力在系統(tǒng)性能的多個維度上實現(xiàn)了顯著改進。

圖5：為不同中介板材料設(shè)計的Chiplet物理布局，顯示了玻璃技術(shù)可實現(xiàn)的緊湊封裝

面積效率代表了最顯著的優(yōu)勢之一，玻璃中介板相比硅替代方案實現(xiàn)了2.6倍的面積利用率改善。這種改進直接源于在邏輯Chiplet下方堆疊存儲Chiplet的能力，在相同封裝面積內(nèi)有效地將功能密度提高一倍。

線長減少提供了另一個實質(zhì)性優(yōu)勢，玻璃中介板相比硅中介板展示了21倍的總線長縮短。這種顯著改進源于嵌入式芯片所實現(xiàn)的垂直連接，消除了傳統(tǒng)2.5D配置中所需的長水平布線路徑。

5布局和布線策略

玻璃中介板設(shè)計的物理實現(xiàn)需要復雜的布局和布線策略，以充分利用基板材料的獨特能力。與所有Chiplet必須并排放置的傳統(tǒng)中介板不同，玻璃中介板能夠使存儲Chiplet直接嵌入到相同位置的邏輯Chiplet下方。

圖6：俯視圖比較Chiplet布局策略：(a)具有垂直堆疊邏輯和存儲Chiplet的玻璃中介板，以及(b)其他中介板類型的傳統(tǒng)并排布局

玻璃中介板的布線方法利用了垂直堆疊所實現(xiàn)的金屬層需求減少。雖然硅中介板由于需要水平連接通常需要多個金屬層進行信號布線，但玻璃中介板可以通過利用tile內(nèi)垂直連接的堆疊過孔以更少的層數(shù)實現(xiàn)相同的連接性。

圖7：電源傳輸網(wǎng)絡(luò)比較，顯示了(a)帶有TGV端口的玻璃中介板和(b)帶有TSV端口的硅中介板，展示了不同的電源分配方法

6信號和電源完整性分析

玻璃中介板的電氣性能在信號完整性和電源傳輸方面相比傳統(tǒng)替代方案都展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢。信號完整性分析表明，由于最短的線長實現(xiàn)，玻璃中介板實現(xiàn)了最寬的眼圖，導致優(yōu)越的信號質(zhì)量和時序裕量。

圖8：完整的中介板布線布局，顯示了玻璃、硅、Shinko和APX中介板實現(xiàn)的金屬層和連接模式

電源完整性分析顯示了同樣令人印象深刻的結(jié)果，玻璃中介板由于其優(yōu)越的金屬與介電厚度比和更厚的金屬層而表現(xiàn)出最低的電源傳輸網(wǎng)絡(luò)阻抗。這轉(zhuǎn)化為更快的建立時間和電源瞬態(tài)期間更低的電壓降，有助于整體系統(tǒng)穩(wěn)定性和性能。

圖9：眼圖比較展示了不同中介板材料的信號完整性性能，玻璃顯示了最佳的信號質(zhì)量指標

7熱考慮和管理

雖然玻璃中介板提供了眾多電氣和物理優(yōu)勢，但由于嵌入式芯片配置，熱管理需要仔細考慮。熱分析顯示，嵌入式存儲Chiplet經(jīng)歷稍高的溫度，因為散熱主要通過玻璃通孔到頂部重分布層進行，而不是直接到環(huán)境空氣。

圖10：電源傳輸網(wǎng)絡(luò)阻抗曲線比較了玻璃、硅、Shinko和APX中介板在頻率范圍內(nèi)的表現(xiàn)

然而，整體熱性能保持在可接受的工作范圍內(nèi)，玻璃中介板實現(xiàn)中邏輯Chiplet的最高溫度約為31.7°C，存儲Chiplet為27.5°C。這些溫度與其他中介板技術(shù)相比表現(xiàn)良好，并且保持在先進半導體器件的典型工作規(guī)格范圍內(nèi)。

圖11：熱分布分析顯示了不同中介板材料的溫度分布，展示了玻璃實現(xiàn)的可接受熱性能

8結(jié)論和未來影響

玻璃中介板技術(shù)代表了Chiplet集成的顯著進步，在面積效率、線長減少和電氣性能方面提供了引人注目的優(yōu)勢。在基板內(nèi)嵌入Chiplet的能力實現(xiàn)了真正的3D集成，同時保持了2.5D方法的制造優(yōu)勢。通過在面積方面實現(xiàn)2.6倍、在線長方面實現(xiàn)21倍的改進，以及在信號和電源完整性方面的顯著提升，玻璃中介板為更高效和更高性能的異構(gòu)系統(tǒng)提供了發(fā)展路徑。隨著半導體行業(yè)繼續(xù)采用Chiplet架構(gòu)構(gòu)建下一代計算系統(tǒng)，玻璃中介板技術(shù)提供了一個解決方案，解決了傳統(tǒng)集成方法固有的許多限制。

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