Chiplet芯片设计中的电源管理:异构集成的复杂权衡

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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

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