芝能智芯出品
随着芯片设计向异构组装和3D-IC技术迈进，提供和管理电力已成为芯片制造中的核心挑战，显著增加了设计复杂性，迫使制造商在性能、可靠性和成本之间进行艰难权衡。
随着AI应用的快速扩展和晶体管密度的持续提升，芯片功耗问题从传统单片SoC扩展到多芯片系统，带来了电压降、热管理及电源完整性等新难题。
我们从电源管理的复杂性演变和应对策略与技术创新两个维度，深入分析异构芯片设计中的电力挑战，并探讨其对半导体行业未来发展的深远影响。
Part 1
电源管理的复杂性演变
随着AI和复杂计算需求的激增，芯片设计正从平面SoC转向异构芯片组装，这种转变显著提升了性能潜力，但也让电源管理变得前所未有地复杂。
传统单片SoC的功耗问题主要集中在晶体管密度和节点缩减带来的热效应，而在异构系统中，芯片数量增加、材料变薄以及高密度堆叠加剧了电力需求的集中性。
例如，单个SoC的功耗已达数百瓦，而多芯片系统的密集集成将这一数字推向更高水平，同时需要在更低的电压下维持稳定，这对电源网络的设计提出了更高要求。
异构系统中芯片间的高速接口和中介层增加了封装层数，进一步削弱了电压调节效率，导致电容分布和电流传输成为瓶颈。
相比传统设计，这种架构不仅放大了电压降和热效应的影响，还引入了低频电源噪声等新问题，使得单一芯片的局部优化无法满足整体需求。
● 电源完整性（PI）的挑战在这一背景下尤为突出。
由于多芯片间共享电源网格，电压降不再是孤立现象，而是涉及整个系统数百甚至数千个连接点的复杂网络。
热梯度、寄生效应和动态负载变化进一步加剧了这一问题，尤其在3D-IC中，高电流密度和薄基板设计可能导致电源分配不均，加速器件老化。
与此同时，缺乏统一的功率模拟标准使得设计验证异常困难，传统的分区分析方法已无法适应多芯片系统的全局特性。
这种复杂性要求设计者在早期阶段即对整个系统进行联合仿真，但这需要巨大的计算资源和时间投入，可能推高开发成本。
● 异构芯片设计的电源挑战还体现在制造与工艺的多样性上。
不同芯片可能来自不同代工厂，工艺差异和制造变异性（如凸块高度、键合质量）会导致电源分布的不对称性。
芯片间高速数据传输需求推动了微凸块和硅通孔（TSV）的密集使用，但这些连接点的数量和布局直接影响功耗和散热能力，进一步增加了设计的权衡难度。
在这种情况下，电源管理已不再是单一技术问题，而是涉及架构、封装和系统协同的综合性挑战。
Part 2
应对策略与技术创新
面对异构芯片设计中的电源难题，行业正在探索多种创新方法以平衡性能与能效，其中早期规划和联合仿真成为关键策略。
在传统SoC设计中，电源网络的建模相对简单，通常基于已知的封装参数进行优化。然而，多芯片系统需要从设计之初即考虑中介层、封装基板和其他芯片的相互影响。
通过假设分析和快速模拟工具，设计者能够评估不同封装样式（如2.5D或3D-IC）对电源完整性的影响，并优化微凸块数量和去耦电容分布。这种方法虽增加了前期工作量，却能显著降低后期重新设计的风险。
此外，分层建模技术被引入以应对仿真规模的激增，例如通过芯片功率模型（CPM）分别模拟芯片、中介层和封装，再进行系统级联合分析，从而在精度和效率间找到平衡。
● 技术创新也在推动电源管理的进步。
背面供电（Backside Power Delivery）和中介层集成电容等技术被视为缓解电压降和热问题的有效手段。
◎ 背面供电通过将电源网络移至芯片背面，减少正面布线的拥挤，提升了电流传输效率；
◎ 而中介层电容则缩短了去耦电容与有源电路的距离，改善了高频噪声抑制能力。
◎ 与此同时，自适应电压调节（AVS）和动态电压频率调节（DVFS）被广泛应用于动态负载管理，帮助芯片根据工作负载实时调整功耗。
◎ 此外，热感知设计逐渐成为行业共识，通过优化芯片布局和协同热-电仿真，减轻局部热点对电源完整性的影响。
这些技术的应用虽提高了封装复杂度，却为性能提升和能效优化提供了新的可能性。
早期规划需要更先进的EDA工具支持，而当前工具链在多芯片联合仿真和低频噪声分析上的能力尚显不足。
制造变异性和工艺不匹配增加了设计的不确定性，迫使设计者与代工厂和封装厂商更紧密合作，以获取精确的互连模型和热特性数据。
AI和机器学习被视为优化设计的潜在助力，能够通过历史数据加速权衡分析，但其在电源管理中的大规模应用仍需时间验证，异构芯片的电源管理正推动行业向系统级思维转型，要求设计者从单一芯片视角转向全局优化。
小结
异构芯片设计时代的到来，将电源管理推向了半导体行业的前沿挑战。从单片SoC到多芯片系统的演变，不仅放大了电压降、热效应和电源完整性等问题，还通过高密度集成和复杂计算需求重塑了设计逻辑。
早期规划、联合仿真和创新技术（如背面供电和动态调节）的结合，为应对这些挑战提供了可行路径，但也暴露了工具链、标准化和制造协同上的短板。
电源管理的突破将成为未来几年半导体性能提升的关键变量，直接影响AI、汽车和边缘计算等领域的应用落地。
原文标题 : Chiplet芯片设计中的电源管理：异构集成的复杂权衡
