萬物智能不打烊！2024 年關(guān)于Multi-Die系統(tǒng)的四大猜想

ChatGPT等應(yīng)用作為生活中不可或缺的工具，需要海量數(shù)據(jù)才能維持正常運(yùn)轉(zhuǎn)。截至2023年6月，ChatGPT的訓(xùn)練數(shù)據(jù)集達(dá)3,000億個(gè)字詞，日訪問量達(dá)6,000萬次，每天有超過1,000萬次的查詢，而這只是一個(gè)開始。人工智能（AI）和高性能計(jì)算（HPC）等技術(shù)正在蓬勃發(fā)展，這些應(yīng)用需要的帶寬和算力只會(huì)越來越大。所以如果要打造一個(gè)真正的智能世界，需要的系統(tǒng)規(guī)模和復(fù)雜程度真的很難想象。

隨著摩爾定律的放緩，Multi-Die系統(tǒng)架構(gòu)將為GenAI、自動(dòng)駕駛、超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心等多領(lǐng)域的創(chuàng)新發(fā)展提供可能。根據(jù)功耗、性能、面積（PPA）要求，更具體地說是功耗、性能、外形尺寸和成本要求，目前的設(shè)計(jì)尚處于從2D到3D（某些應(yīng)用中甚至延伸到3.5D）的中間地帶。

未來的智能產(chǎn)品必定依賴于Multi-Die系統(tǒng)設(shè)計(jì)，但如何才能在2024年實(shí)現(xiàn)大規(guī)模普及呢？以下是我們關(guān)于2024年Multi-Die系統(tǒng)設(shè)計(jì)的四個(gè)重要預(yù)測(cè)。

Multi-Die系統(tǒng)的采用要分多階段進(jìn)行

數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用將是2.5D和3DIC設(shè)計(jì)等Multi-Die系統(tǒng)封裝的主要驅(qū)動(dòng)力?？紤]到數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)量和復(fù)雜性，我們預(yù)計(jì)數(shù)據(jù)中心在可預(yù)見的未來將成為Multi-Die系統(tǒng)“最熱情的用戶”。移動(dòng)通訊等其他領(lǐng)域正處于利用Multi-Die系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過渡期，這一階段內(nèi)的采用過程往往選擇更加靈活，需要視需求選用不同的堆疊技術(shù)和工藝節(jié)點(diǎn)。

汽車等行業(yè)通常要從眾多供應(yīng)商處采購元件，因此可能會(huì)采取基于小芯片的方法，繼續(xù)使用2.5D封裝。這種方法能夠確保電子控制單元（ECU）部件隨時(shí)可用，并可以輕松地組裝到中介層等基板上。對(duì)于汽車中使用的芯片來說，混搭與匹配是十分常見的現(xiàn)象，更高程度的標(biāo)準(zhǔn)化也可能會(huì)為這種做法帶來裨益。

在復(fù)雜性中尋找共性

垂直整合，仍是開發(fā)者們?cè)?024年想要采用Multi-Die系統(tǒng)所需要克服的難關(guān)之一。HPC數(shù)據(jù)中心有足夠的資金和辦法來處理堆疊相關(guān)的問題，但其他行業(yè)并不一定具備這一條件。如果不做垂直整合，也不依賴生態(tài)系統(tǒng)，那么對(duì)Multi-Die系統(tǒng)能夠平穩(wěn)運(yùn)行的需求的數(shù)量也會(huì)急劇上升，這也是阻礙Multi-Die系統(tǒng)被采用的一大難點(diǎn)。

3D堆疊所面臨的主要挑戰(zhàn)包括熱分析、配電規(guī)劃、散熱系統(tǒng)和制造要求。盡管3D堆疊較為復(fù)雜，但它代表著未來的方向，而生態(tài)系統(tǒng)也必須不斷發(fā)展以提供相應(yīng)的支持。隨著堆疊變得日益普遍，已經(jīng)成為2.5D首選接口的UCIe將在未來一年及以后得到相應(yīng)發(fā)展。復(fù)雜性可通過兩個(gè)關(guān)鍵要素進(jìn)一步簡化：通用的語言和明確的規(guī)則。2.5D或3D設(shè)計(jì)的組件目前都使用統(tǒng)一的通用術(shù)語，這樣與多個(gè)合作伙伴一起構(gòu)建系統(tǒng)則更加便捷。

具備一套規(guī)則及標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)則描述方法對(duì)于Multi-Die系統(tǒng)創(chuàng)新的成功至關(guān)重要。正如高速公路上的車輛必須遵守交通標(biāo)志的指示一樣，無論是何種形式的芯片，都將持續(xù)受到規(guī)則的約束。標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)試和參考流程等讓包含制造在內(nèi)的堆疊過程更加簡單明了。

3DIC設(shè)計(jì)的突破，自動(dòng)化是關(guān)鍵

當(dāng)前芯片架構(gòu)仍以2.5D為主，Multi-Die系統(tǒng)設(shè)計(jì)依賴手動(dòng)，成功與否則取決于開發(fā)者技能與技術(shù)規(guī)格匹配程度。這可能意味著在進(jìn)行組合之前，需要手動(dòng)渲染5個(gè)、6個(gè)甚至20個(gè)單獨(dú)的部件。從這個(gè)意義上說，真正的、具有完整架構(gòu)自動(dòng)化并經(jīng)過優(yōu)化的3D設(shè)計(jì)還沒有變成現(xiàn)實(shí)。

向自動(dòng)化3D實(shí)施技術(shù)的轉(zhuǎn)變是當(dāng)前迫切需要邁出的一步，有助于加快設(shè)計(jì)流程，增加穩(wěn)健性，并確保高性能元件最終不會(huì)只停留在構(gòu)想階段。這種轉(zhuǎn)變將會(huì)持續(xù)到2024年，并將涵蓋從架構(gòu)設(shè)計(jì)和實(shí)施到分析和驗(yàn)證的方方面面。

人工智能可以加速優(yōu)化設(shè)計(jì)空間。沒有AI，實(shí)驗(yàn)范圍就會(huì)受到限制，工藝中的裸片越多，規(guī)劃流程和實(shí)現(xiàn)最佳配置就會(huì)越困難。

Multi-Die系統(tǒng)并非不受限制

盡管Multi-Die系統(tǒng)設(shè)計(jì)取得了顯著進(jìn)步，但仍存在很多限制。我們預(yù)計(jì)高帶寬內(nèi)存（HBM）在2024年仍將作為外部存儲(chǔ)器。根據(jù)對(duì)帶寬和散熱的要求，該器件在布局上可能會(huì)進(jìn)一步靠近芯片，但其片外屬性不太可能改變。

單就堆疊而言，其實(shí)并不存在上限，但在當(dāng)前環(huán)境下，三到四層通常已是極限（也有少數(shù)例外）。這不僅是由于供電方面的限制，還出于制造和可靠性方面的考慮。與摩天大樓一樣，高度太高可能會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)問題。高堆疊需要更繁瑣的制造步驟并面臨更多的風(fēng)險(xiǎn)，要想有把握地實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)還需要時(shí)間?？梢钥隙ǖ氖?，業(yè)界正在朝著這個(gè)方向努力。而要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，就需要全面擁抱端到端自動(dòng)化。

結(jié)語

2024年，我們將進(jìn)一步探索Multi-Die系統(tǒng)的無盡潛力，引領(lǐng)終端應(yīng)用邁向新的里程碑。但前方道路并非坦途?？缭組ulti-Die系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，需要我們整個(gè)半導(dǎo)體生態(tài)系統(tǒng)的共同努力與協(xié)作，攜手向前，開創(chuàng)萬物智能的未來。