集成芯片与芯粒技术白皮书_第二版_62页_43mb

集成芯片与芯粒技术白皮书（第二版）总结

核心内容概述

集成芯片和芯粒技术作为集成电路性能提升的第三条路径，正在成为后摩尔时代的重要发展方向。该技术通过“分解-组合”设计范式，将功能模块分解为可复用的芯粒，再通过中介层、键合工艺和互连技术实现高密度集成。集成芯片不仅能够突破传统单芯片的面积墙、功耗墙与存储墙等瓶颈，还能够通过不同工艺节点的组合实现性能与成本的最优平衡。芯粒技术的发展推动了芯片设计的模块化与灵活性，使异构集成成为现实。

主要观点

• 集成芯片是性能提升的第三路径：随着摩尔定律趋缓，集成芯片通过芯粒与中介层技术实现大尺寸、高密度、高能效的系统集成。
• 芯粒集成范式多样化：2.5D、3D和3.5D集成范式并存，各有优势，如2.5D在高带宽存储（HBM）与逻辑芯片的结合中已实现商业化，3D集成则在存储堆叠与功能分层上展现出潜力。
• 中介层技术发展迅速：硅中介层、有机中介层与玻璃中介层在不同场景下得到应用，其中玻璃中介层因低热膨胀系数、高尺寸扩展性成为未来主流。
• 键合工艺推动互连微缩：混合键合技术（W2W和D2W）成为实现芯粒间高密度互连的关键，其节距不断缩小，从1μm逐步向0.3μm甚至亚微米演进。
• 互连技术发展显著：芯粒间互连带宽突破Tbps级别，光I/O技术逐步成为未来互连趋势，为大规模系统集群提供支持。
• EDA技术支撑集成设计：多场仿真与布局布线等EDA技术的成熟，为大规模芯粒集成提供了工具支持，推动设计效率与芯片性能的提升。
• 芯粒生态构建是关键挑战：当前缺乏统一互连标准与接口协议，影响跨供应商集成，推动标准化与开放生态成为未来重点方向。
• 中国在集成芯片领域取得进展：在芯粒数量、种类、中介层材料、键合工艺等方面实现突破，初步形成自主技术体系与生态布局。

关键信息

一、集成芯片与芯粒定义

• 集成芯片：通过将芯粒（Chiplet）集成在中介层上，实现高密度、高性能系统。
• 芯粒：具有特定功能、可复用的芯片模块，如计算、存储、接口等。
• 中介层：连接芯粒与封装基板的载体，具备高密度互连、电容/电感集成等能力。
• 混合键合：包括W2W（晶圆对晶圆）与D2W（芯片对晶圆），实现芯粒间的高密度互连。

二、技术发展现状

1. 芯粒集成范式

• 2.5D集成：以硅中介层/有机中介层为核心，实现芯粒横向并排互连，已广泛应用于AI/HPC领域。
• 3D集成：通过TSV、微凸点等技术实现芯粒垂直堆叠，提升带宽与能效。
• 3.5D集成：结合2.5D与3D优势，实现“横向扩展+纵向堆叠”的混合集成，成为主流发展方向。

2. 芯粒数量发展

• 国际：从4个到几十个不等，如AMD MI300集成13个芯粒，NVIDIA Ponte Vecchio集成47个芯粒。
• 国内：如之江大芯片一号集成64个CPU芯粒，复旦大学实现16颗存算一体芯粒三维集成，华为昇腾910C集成14个芯粒。

3. 芯粒种类发展

• 国际：计算、存储、接口、光学等芯粒类型逐步丰富，如AMD的计算与I/O芯粒分离，Intel的多芯粒异构集成。
• 国内：RISC-V CPU、存算一体、类脑计算、AI加速器等芯粒类型逐步发展，支持多样化应用场景。

4. 中介层技术

• 硅中介层：成熟技术，但面积受限，成本较高。
• 有机中介层：成本低，适用于大规模封装，但信号完整性与热稳定性不足。
• 玻璃中介层：具有低热膨胀、高尺寸扩展性，成为下一代中介层的代表，已实现面板级量产。

5. 键合工艺

• W2W混合键合：已实现0.3μm以下节距，提升互连密度与可靠性。
• D2W混合键合：具有灵活性，支持多源芯片集成，但工艺复杂度高，国内正逐步追赶。

6. 芯粒间互连技术

• 互连带宽：已突破Tbps级别，接近SoC内部互连能力。
• 互连标准：UCle成为国际主流，国内也在推进标准制定。
• 光I/O：在大算力、高带宽场景中发挥重要作用，推动未来互连技术发展。

三、发展十大趋势

1. 集成芯片尺寸持续增大，突破单芯片制造限制。
2. 光I/O推动算力网络架构创新，提升带宽与能效。
3. HBM成为首个通用芯粒，具备可配置性。
4. 大模型推动近存集成芯片新形态，如逻辑Die + HBM。
5. 混合键合推动节距微缩，向亚微米演进。
6. ABC（Area, Bandwidth, Cost）集成模式开始应用，提升系统性能。
7. 新材料中介层（如玻璃）出现，提升可靠性与尺寸扩展性。
8. 3.5D集成成为先进封装的关键路径。
9. 芯粒化设计在旗舰手机芯片中开始应用。
10. 芯粒与RISC-V共建新型计算生态，推动开放性发展。

四、中美项目资助与产业发展比较

• 项目布局：中国聚焦大算力芯片，美国则在3D-IC与Chips项目中推动不同方向。
• 技术路线：中国倾向于Scale-out（扩展式）路径，美国以Scale-up（提升式）为主。
• 指令集与开源：中国推动RISC-V开源生态，美国依赖ARM/x86闭源体系。
• 存储集成路径：中国以HBM为主，美国以堆叠DRAM为主。
• 芯粒生态构建：中国强调开源开放，美国则以“小院高墙”为特征。
• 产业链格局：中国强调自主可控与多元协同，美国主导产业链并带动盟友配套。
• 未来格局：中国有望在3.5D集成与开放生态方面取得突破。

结论

集成芯片与芯粒技术正引领集成电路设计范式的变革，成为后摩尔时代算力提升的重要路径。随着键合工艺、中介层材料、互连标准等技术的不断成熟，芯粒化设计将逐步取代传统单芯片设计，推动芯片制造向大规模、高密度、高性能方向发展。中国在该领域已取得显著进展，未来需进一步加强EDA工具、材料研发、标准化建设与生态协同，以实现集成芯片的规模化与平台化应用。