2023集成芯片与芯粒技术白皮书-中国计算机学会_22页_2mb

报告摘要

集成芯片与芯粒技术白皮书总结

集成芯片与芯粒技术作为突破传统集成电路性能瓶颈的新路径，是当前半导体领域的重要发展方向。该白皮书系统梳理了该技术的技术内涵、架构设计、EDA工具需求、工艺原理及挑战机遇，内容如下：

技术背景与意义
传统集成电路面临"功耗墙""存储墙""面积墙"等制约，摩尔定律放缓导致单芯片性能提升受限。集成芯片通过芯粒级模块化设计，突破尺寸微缩极限，实现算力与功能的扩展。该技术既可规避先进制程的垄断风险，又能通过模块化复用降低设计成本，尤其适用于碎片化应用与"昆虫纲悖论"的解决。
技术内涵与发展趋势
集成芯片通过半导体工艺将多个芯粒（具有特定功能的晶片）进行互连，形成高性能系统。其核心优势包括：

实现更大芯片尺寸与更高集成度
突破传统封装带宽限制
通过标准化接口提升互连效率
支持光电混合集成与异构计算
当前技术已形成25D/3D集成体系，如英伟达CoWoS技术（硅基板面积达20000mm²）与华为昇腾910（集成6个芯粒）等案例，国内"之江大芯片"等项目在高性能计算领域取得进展。

架构与电路设计挑战
(1) 互连网络设计：需处理不规则拓扑结构（如Kite系列）、动态重构网络（Adapt-NoC）及容错机制。
(2) 路由算法：要求拓扑无关性、完全可达性、故障独立性与可扩展性。
(3) 供电系统：需解决万瓦级功耗下的电源分配网络（PDN）优化，研发多级供电架构与新型无源器件集成技术。
(4) 通信协议：发展UCIe等标准化协议栈，兼顾可靠性、缓存一致性与快速部署需求。
EDA工具与多物理场仿真需求
(1) 自动化设计：需开发系统规划工具、三维布局布线引擎及跨芯粒时序分析模块。
(2) 电磁场仿真：采用EFIE、MoM等方法处理TSV等结构的复杂寄生效应。
(3) 电-热-力耦合仿真：建立多尺度仿真框架，解决高温导致的电迁移、信号完整性与热应力问题。
(4) 测试技术：需研发基于回环测试、冗余设计与在线修复机制的新型测试架构。
工艺技术突破方向
(1) RDL/硅基板制造：开发高密度微凸点键合技术，实现亚微米级互连节距。
(2) 散热技术：发展近结点微通道冷却（热流密度可达1000W/cm²）与晶圆级集成方案。
(3) 混合键合工艺：通过铜-铜互连突破10微米物理限制，imec已实现0.8微米技术验证。
(4) 有源基板应用：结合硅光子技术提升带宽与能效，如CAMON等方案。
国内发展路径与挑战
中国发展集成芯片具有独特优势：