汽車半導體設計，轉向Chiplet

本文由半導體產業縱橫（ID：ICVIEWS）編譯自eetasia

Chiplet為應對行業日益增長的功能需求和成本壓力這兩大挑戰提供了極具吸引力的解決方案。

汽車行業面臨著前所未有的挑戰。如何在規模化生產中集成日益復雜的電子系統，同時保持成本競爭力。傳統的單片系統級芯片 (SoC) 設計雖然功能強大，但在擴展到汽車量產規模時卻會帶來巨大的經濟負擔。芯片組 (Chiplet) 技術應運而生，成為一種極具吸引力的解決方案，它通過模塊化、良率優化和 IP 模塊的設計復用，顯著降低了成本。

以典型的高級駕駛輔助系統 (ADAS) 控制器為例，它需要高性能計算核心、專用人工智能加速器、多個通信接口和電源管理電路。在單芯片設計中，整個系統將采用昂貴的先進工藝節點（例如 7nm 或 5nm）制造在單個大型芯片上。如果該大型芯片的任何部分存在制造缺陷，則整個芯片將無法使用，導致良率低下。

芯片組方案從根本上改變了這種經濟格局。與使用單個大型芯片不同，同樣的ADAS控制器可以使用多個小型芯片來實現：采用7nm工藝的CPU芯片組用于提升性能，采用22nm工藝的內存接口芯片組用于降低成本，采用專用工藝的模擬射頻芯片組，以及采用成熟的65nm工藝的電源管理芯片組。每個芯片組都可以獨立制造和測試，只有經過驗證合格的芯片才會被組裝到最終封裝中。這種方法通常可以將系統總成本降低20%至40%，同時將制造良率從60%至70%提高到90%以上。

什么是芯片組？

戈登·摩爾在他的論文《將更多組件塞進集成電路》中已經提到了多芯片器件的發展趨勢。

圖 1：先進封裝技術發展時間線（圖片由 Cadence 提供）

芯片組架構代表著與傳統半導體設計理念的范式轉變。它并非將所有系統功能集成到單個硅片上，而是將復雜的系統分割成更小、功能獨立的半導體芯片，這些芯片通過標準化的高速互連進行通信。

每個芯片組在整個系統中都承擔著特定的功能。可以把它想象成用樂高積木搭建，而不是從一塊大理石上雕刻。例如，圖形芯片組負責視覺處理，CPU芯片組負責通用計算，內存芯片組提供存儲空間，I/O芯片組負責外部通信。這些組件通常采用不同的工藝技術分別制造，這些工藝技術針對各自的特定功能進行了優化，然后使用先進的封裝技術將它們組裝成單個封裝。

關鍵區別在于互連標準。與傳統的芯片級互連（不同芯片通過速度相對較慢的封裝級連接進行通信）不同，芯片組采用超高帶寬、低延遲的互連技術，例如英特爾的先進接口總線 (AIB)、AMD 的 Infinity Fabric 或新興標準，如通用芯片組互連高速接口 (UCIe)。這些連接的性能接近片上通信，使芯片組系統在功能上如同單芯片 SoC，而這正是其真正優勢所在。

芯片設計的改變

圖 2：從單片式到芯片式

芯片組設計需要對傳統的集成電路設計方法進行根本性的重新思考。該過程始于系統級劃分，工程師們（不一定來自同一家公司）必須仔細分析整體系統需求，并確定劃分為各個芯片組的邏輯邊界。

分區決策涉及幾個關鍵因素。需要頻繁、高帶寬通信的功能通常應保留在同一個芯片組內，以最大限度地減少芯片組間的通信量。電源域和不同的工藝技術要求提供了天然的邊界。例如，模擬電路通常需要與數字邏輯不同的工藝節點，因此它們是獨立芯片組的理想選擇。

芯片劃分完成后，每個芯片組都必須采用標準化的接口設計。這與傳統的集成電路設計截然不同，傳統集成電路設計可以針對特定應用場景優化內部接口。芯片組接口必須遵循行業標準或專有協議，這些標準或協議定義了電氣特性、時序要求和通信協議。

芯片封裝的物理設計變得更加復雜。傳統的布局規劃現在必須考慮高速串行器/解串器 (SerDes) 電路的放置、跨越多個芯片的供電網絡以及多芯片封裝的熱管理。信號完整性分析不僅要考慮芯片內部的布線，還要考慮封裝級互連以及相鄰芯片之間潛在的串擾。

驗證和測試策略也需要進行調整。每個芯片在組裝前都必須進行徹底的獨立測試，這就需要全面的內置自測試 (BIST) 功能。組裝后的測試變得更具挑戰性，因為傳統的邊界掃描技術可能無法充分覆蓋芯片間的連接。

圖 3：一個帶有 8 個芯片的交換機。

將不同芯片集成到單個封裝中的挑戰

芯片系統集成面臨的挑戰涉及多個工程領域，每個領域都存在獨特的技術障礙，必須克服這些障礙才能成功實施。

散熱管理或許是其中最嚴峻的挑戰。多個相鄰的芯片會產生大量熱量，形成熱點，從而降低性能或導致可靠性問題。因此，先進的散熱解決方案，包括嵌入式冷卻結構、導熱界面材料以及精心設計的電源供應系統，變得至關重要。不同芯片材料之間的熱膨脹系數差異會導致機械應力，進而可能在溫度循環過程中造成焊點失效或芯片開裂。

芯片數量越多，供電復雜性呈指數級增長。每個芯片可能需要多個電壓域，每個電壓域都有特定的電流和噪聲要求。封裝必須為所有芯片提供純凈、穩定的電源，同時最大限度地減少互連網絡上的電壓降。先進的封裝技術，例如硅通孔 (TSV) 和嵌入式電壓調節器，有助于應對這些挑戰，但也會增加成本和設計復雜性。

芯片間互連的信號完整性需要格外注意阻抗匹配、串擾最小化和時序收斂。高速信號在封裝級互連中傳輸時，面臨著與片上布線不同的挑戰，包括更大的寄生效應、潛在的電磁干擾以及封裝基板上的工藝偏差。

制造和組裝環節也面臨諸多挑戰。已知合格芯片的測試至關重要，因為組裝后更換單個缺陷芯片通常不經濟。組裝工藝必須實現多個芯片之間的精確對準和粘合，而這些芯片的尺寸和厚度往往各不相同。由于故障模式可能出現在芯片級、互連級或系統級，質量控制和可靠性測試也變得更加復雜。

軟件和固件集成又增加了一層復雜性。操作系統和驅動程序必須了解芯片架構，才能優化性能、管理功耗并處理潛在的故障模式。緩存一致性協議必須跨越多個芯片，這需要精心協調才能維持系統級性能。

Chiplet在汽車行業的應用實例

汽車行業為芯片技術提供了許多引人注目的應用案例，每個案例都充分利用了模塊化半導體架構的獨特優勢。

高級駕駛輔助系統 (ADAS) 是其最突出的應用領域。現代 ADAS 控制器需要多種計算能力：用于處理攝像頭數據的計算機視覺處理器、雷達信號處理器、激光雷達處理單元、傳感器融合引擎以及安全關鍵型控制邏輯。基于芯片組的 ADAS 控制器可能集成用于通用處理的高性能 CPU 芯片組、用于機器學習推理的專用 AI 加速芯片組、用于傳感器數據的專用信號處理芯片組以及符合汽車 功能安全標準 (ISO 26262) 的安全關鍵型微控制器芯片組。

與單芯片實現方案相比，這種方法具有多項優勢。不同的芯片組可以采用最佳工藝技術進行制造——人工智能加速器采用尖端工藝節點以實現最佳性能，安全微控制器采用成熟可靠的工藝，模擬傳感器接口采用專用混合信號工藝。模塊化架構還支持可擴展的產品系列，其中基礎型ADAS系統使用的芯片組較少，而高端系統則集成了額外的處理功能。

車載信息娛樂系統從芯片模塊化中獲益匪淺。典型的車載信息娛樂系統需要圖形處理（用于多個顯示屏）、音頻數字信號處理、連接模塊（Wi-Fi、藍牙、蜂窩網絡）以及用于應用程序的通用計算。芯片模塊化設計使制造商能夠采用來自消費電子領域的成熟圖形芯片、專用的汽車級連接芯片以及成本優化的應用處理器芯片。

電動汽車 (EV) 動力系統是另一個引人注目的應用領域。電動汽車控制系統需要高壓電源管理、電機控制算法、電池管理功能和車輛通信接口。基于芯片組的方法可以將高壓模擬電路與敏感的數字處理分離，通過將發熱功能分布到多個芯片上來改善散熱管理，并允許使用合適的工藝技術優化不同的功能。

車身控制模塊負責管理照明、車門控制、車窗升降和空調系統等功能，可以利用芯片組架構打造可擴展且經濟高效的解決方案。基礎配置可能僅使用最少的芯片組來實現基本功能，而豪華車型則會集成更多芯片組來實現高級功能。

結論

Chiplet 技術代表了一種變革性的汽車半導體設計方法，為應對行業日益增長的功能需求和成本壓力這兩大挑戰提供了極具吸引力的解決方案。其經濟優勢顯而易見：更高的制造良率、通過設計復用降低的開發成本以及針對不同功能優化的工藝技術選擇，與單片式方案相比，可實現系統級成本降低 20% 至 40%。

然而，芯片組的成功實現需要掌握新的設計方法、先進的封裝技術以及應對復雜的集成挑戰。跨多芯片系統的熱管理、電源傳輸和信號完整性都需要精密的工程解決方案。汽車行業嚴格的可靠性和安全性要求，更使本已極具挑戰性的設計問題雪上加霜。

盡管面臨這些挑戰，早期采用者已證明芯片組技術在汽車應用中的可行性。隨著行業標準的成熟和設計方法的演進，芯片組技術有望成為復雜汽車電子系統的主導架構。該技術為汽車電子領域的持續創新提供了一條切實可行的途徑，同時保持了大眾市場普及所需的成本結構。

汽車電子的未來不在于不斷增大單芯片的尺寸，而在于將功能智能地分解成優化的、可重復使用的芯片模塊。對于汽車工程師而言，理解并接受這種架構轉變至關重要，它能幫助他們開發出下一代汽車電子系統，從而以具有競爭力的成本提供先進的功能。

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