汽车半导体设计，转向Chiplet|处理器|控制器

本文由半导体产业纵横（ID：ICVIEWS）编译自eetasia

Chiplet为应对行业日益增长的功能需求和成本压力这两大挑战提供了极具吸引力的解决方案。

汽车行业面临着前所未有的挑战。如何在规模化生产中集成日益复杂的电子系统，同时保持成本竞争力。传统的单片系统级芯片 (SoC) 设计虽然功能强大，但在扩展到汽车量产规模时却会带来巨大的经济负担。芯片组 (Chiplet) 技术应运而生，成为一种极具吸引力的解决方案，它通过模块化、良率优化和 IP 模块的设计复用，显著降低了成本。

以典型的高级驾驶辅助系统 (ADAS) 控制器为例，它需要高性能计算核心、专用人工智能加速器、多个通信接口和电源管理电路。在单芯片设计中，整个系统将采用昂贵的先进工艺节点（例如 7nm 或 5nm）制造在单个大型芯片上。如果该大型芯片的任何部分存在制造缺陷，则整个芯片将无法使用，导致良率低下。

芯片组方案从根本上改变了这种经济格局。与使用单个大型芯片不同，同样的ADAS控制器可以使用多个小型芯片来实现：采用7nm工艺的CPU芯片组用于提升性能，采用22nm工艺的内存接口芯片组用于降低成本，采用专用工艺的模拟射频芯片组，以及采用成熟的65nm工艺的电源管理芯片组。每个芯片组都可以独立制造和测试，只有经过验证合格的芯片才会被组装到最终封装中。这种方法通常可以将系统总成本降低20%至40%，同时将制造良率从60%至70%提高到90%以上。

什么是芯片组？

戈登·摩尔在他的论文《将更多组件塞进集成电路》中已经提到了多芯片器件的发展趋势。

图 1：先进封装技术发展时间线（图片由 Cadence 提供）

芯片组架构代表着与传统半导体设计理念的范式转变。它并非将所有系统功能集成到单个硅片上，而是将复杂的系统分割成更小、功能独立的半导体芯片，这些芯片通过标准化的高速互连进行通信。

每个芯片组在整个系统中都承担着特定的功能。可以把它想象成用乐高积木搭建，而不是从一块大理石上雕刻。例如，图形芯片组负责视觉处理，CPU芯片组负责通用计算，内存芯片组提供存储空间，I/O芯片组负责外部通信。这些组件通常采用不同的工艺技术分别制造，这些工艺技术针对各自的特定功能进行了优化，然后使用先进的封装技术将它们组装成单个封装。

关键区别在于互连标准。与传统的芯片级互连（不同芯片通过速度相对较慢的封装级连接进行通信）不同，芯片组采用超高带宽、低延迟的互连技术，例如英特尔的先进接口总线 (AIB)、AMD 的 Infinity Fabric 或新兴标准，如通用芯片组互连高速接口 (UCIe)。这些连接的性能接近片上通信，使芯片组系统在功能上如同单芯片 SoC，而这正是其真正优势所在。

芯片设计的改变

图 2：从单片式到芯片式

芯片组设计需要对传统的集成电路设计方法进行根本性的重新思考。该过程始于系统级划分，工程师们（不一定来自同一家公司）必须仔细分析整体系统需求，并确定划分为各个芯片组的逻辑边界。

分区决策涉及几个关键因素。需要频繁、高带宽通信的功能通常应保留在同一个芯片组内，以最大限度地减少芯片组间的通信量。电源域和不同的工艺技术要求提供了天然的边界。例如，模拟电路通常需要与数字逻辑不同的工艺节点，因此它们是独立芯片组的理想选择。

芯片划分完成后，每个芯片组都必须采用标准化的接口设计。这与传统的集成电路设计截然不同，传统集成电路设计可以针对特定应用场景优化内部接口。芯片组接口必须遵循行业标准或专有协议，这些标准或协议定义了电气特性、时序要求和通信协议。

芯片封装的物理设计变得更加复杂。传统的布局规划现在必须考虑高速串行器/解串器 (SerDes) 电路的放置、跨越多个芯片的供电网络以及多芯片封装的热管理。信号完整性分析不仅要考虑芯片内部的布线，还要考虑封装级互连以及相邻芯片之间潜在的串扰。

验证和测试策略也需要进行调整。每个芯片在组装前都必须进行彻底的独立测试，这就需要全面的内置自测试 (BIST) 功能。组装后的测试变得更具挑战性，因为传统的边界扫描技术可能无法充分覆盖芯片间的连接。

图 3：一个带有 8 个芯片的交换机。

将不同芯片集成到单个封装中的挑战

芯片系统集成面临的挑战涉及多个工程领域，每个领域都存在独特的技术障碍，必须克服这些障碍才能成功实施。

散热管理或许是其中最严峻的挑战。多个相邻的芯片会产生大量热量，形成热点，从而降低性能或导致可靠性问题。因此，先进的散热解决方案，包括嵌入式冷却结构、导热界面材料以及精心设计的电源供应系统，变得至关重要。不同芯片材料之间的热膨胀系数差异会导致机械应力，进而可能在温度循环过程中造成焊点失效或芯片开裂。

芯片数量越多，供电复杂性呈指数级增长。每个芯片可能需要多个电压域，每个电压域都有特定的电流和噪声要求。封装必须为所有芯片提供纯净、稳定的电源，同时最大限度地减少互连网络上的电压降。先进的封装技术，例如硅通孔 (TSV) 和嵌入式电压调节器，有助于应对这些挑战，但也会增加成本和设计复杂性。

芯片间互连的信号完整性需要格外注意阻抗匹配、串扰最小化和时序收敛。高速信号在封装级互连中传输时，面临着与片上布线不同的挑战，包括更大的寄生效应、潜在的电磁干扰以及封装基板上的工艺偏差。

制造和组装环节也面临诸多挑战。已知合格芯片的测试至关重要，因为组装后更换单个缺陷芯片通常不经济。组装工艺必须实现多个芯片之间的精确对准和粘合，而这些芯片的尺寸和厚度往往各不相同。由于故障模式可能出现在芯片级、互连级或系统级，质量控制和可靠性测试也变得更加复杂。

软件和固件集成又增加了一层复杂性。操作系统和驱动程序必须了解芯片架构，才能优化性能、管理功耗并处理潜在的故障模式。缓存一致性协议必须跨越多个芯片，这需要精心协调才能维持系统级性能。

Chiplet在汽车行业的应用实例

汽车行业为芯片技术提供了许多引人注目的应用案例，每个案例都充分利用了模块化半导体架构的独特优势。

高级驾驶辅助系统 (ADAS) 是其最突出的应用领域。现代 ADAS 控制器需要多种计算能力：用于处理摄像头数据的计算机视觉处理器、雷达信号处理器、激光雷达处理单元、传感器融合引擎以及安全关键型控制逻辑。基于芯片组的 ADAS 控制器可能集成用于通用处理的高性能 CPU 芯片组、用于机器学习推理的专用 AI 加速芯片组、用于传感器数据的专用信号处理芯片组以及符合汽车功能安全标准 (ISO 26262) 的安全关键型微控制器芯片组。

与单芯片实现方案相比，这种方法具有多项优势。不同的芯片组可以采用最佳工艺技术进行制造——人工智能加速器采用尖端工艺节点以实现最佳性能，安全微控制器采用成熟可靠的工艺，模拟传感器接口采用专用混合信号工艺。模块化架构还支持可扩展的产品系列，其中基础型ADAS系统使用的芯片组较少，而高端系统则集成了额外的处理功能。

车载信息娱乐系统从芯片模块化中获益匪浅。典型的车载信息娱乐系统需要图形处理（用于多个显示屏）、音频数字信号处理、连接模块（Wi-Fi、蓝牙、蜂窝网络）以及用于应用程序的通用计算。芯片模块化设计使制造商能够采用来自消费电子领域的成熟图形芯片、专用的汽车级连接芯片以及成本优化的应用处理器芯片。

电动汽车 (EV) 动力系统是另一个引人注目的应用领域。电动汽车控制系统需要高压电源管理、电机控制算法、电池管理功能和车辆通信接口。基于芯片组的方法可以将高压模拟电路与敏感的数字处理分离，通过将发热功能分布到多个芯片上来改善散热管理，并允许使用合适的工艺技术优化不同的功能。

车身控制模块负责管理照明、车门控制、车窗升降和空调系统等功能，可以利用芯片组架构打造可扩展且经济高效的解决方案。基础配置可能仅使用最少的芯片组来实现基本功能，而豪华车型则会集成更多芯片组来实现高级功能。