半導(dǎo)體領(lǐng)域正經(jīng)歷快速變革，尤其是在人工智能（AI）爆發(fā)式增長、對更高處理性能及能效需求持續(xù)攀升的背景下。傳統(tǒng)的片上系統(tǒng)（SoC）設(shè)計方案在尺寸與成本方面逐漸觸及瓶頸。此時，Multi-Die設(shè)計應(yīng)運而生，將SoC拆分為多個稱為芯粒的芯片，并集成到單一封裝內(nèi)，成功突破了上述限制。

基于芯粒的設(shè)計方案具備多項優(yōu)勢：在AI與高性能計算（HPC）應(yīng)用中，通過將計算、存儲與輸入輸出（I/O）功能解耦，助力提升計算能力；在汽車與邊緣AI應(yīng)用場景下，將大型芯片拆分為尺寸更小、更適配量產(chǎn)的元器件，從而提高生產(chǎn)良率與產(chǎn)品可靠性；借助對封裝內(nèi)部芯粒組合的靈活重構(gòu)，能夠快速推出新產(chǎn)品，縮短產(chǎn)品迭代周期。

芯粒設(shè)計最佳實踐

對于考慮采用芯粒設(shè)計方案的開發(fā)者，以下是八項最佳實踐：

從合理的系統(tǒng)分區(qū)入手

首先將系統(tǒng)設(shè)計拆解為計算、存儲、I/O等功能模塊，并明確哪些功能應(yīng)作為獨立芯粒存在。針對高性能元器件，選擇先進的工藝節(jié)點；而對于性能要求較低的模塊，則選用技術(shù)成熟、性價比高的工藝節(jié)點。在此過程中，需精心平衡速度、功耗與系統(tǒng)整體效率之間的權(quán)衡關(guān)系。此外，還應(yīng)考慮系統(tǒng)的可擴展性，選擇能夠支持未來升級或功能變更的標準與接口。

為每個芯粒選擇合適的工藝節(jié)點

并非所有功能皆可從最新技術(shù)中獲得同等程度的提升。例如，存儲器的微縮效率通常不及邏輯電路，因此在較成熟的工藝節(jié)點上制造存儲器芯粒，既能降低成本，又不會影響性能。在集成芯粒時，需考慮芯粒應(yīng)采用3D堆疊結(jié)構(gòu)（以實現(xiàn)更低延遲與功耗），還是2.5D并排布局（以簡化實現(xiàn)流程）。

精心規(guī)劃Die-to-Die連接

選擇合適的接口對芯粒間實現(xiàn)無縫通信至關(guān)重要。UCIe等行業(yè)標準在Die-to-Die連接領(lǐng)域的應(yīng)用正日益廣泛。設(shè)計時需確保連接帶寬與系統(tǒng)所需的數(shù)據(jù)吞吐量相匹配，同時兼顧主數(shù)據(jù)與邊帶控制數(shù)據(jù)的傳輸需求。此外，還需精心規(guī)劃封裝內(nèi)芯粒的布局與互連方式來優(yōu)化物理結(jié)構(gòu)，確保設(shè)計符合目標尺寸與形狀要求。根據(jù)物理布局的不同，Die-to-Die接口可用的“邊緣區(qū)域”（beachfront）面積會有所差異，可能需要采用不同的接口配置。切勿忽視熱管理的重要性，單一封裝內(nèi)的多個芯?？赡墚a(chǎn)生熱點，因此必須在設(shè)計中融入充足的冷卻與散熱方案。

了解先進的封裝方案

選擇合適的封裝技術(shù)是實現(xiàn)設(shè)計目標的關(guān)鍵。封裝方案涵蓋從傳統(tǒng)有機基板到支持更高密度與性能的先進中介層等多種類型。設(shè)計時需綜合考慮外形尺寸與整體成本：先進封裝方案通常具備更強的性能，但實施成本更高、復(fù)雜度也更大。要確保開發(fā)時間表預(yù)留足夠時間用于全面測試與良率管理。每個芯粒都應(yīng)單獨測試，確保僅選擇“已知合格芯?！保↘GD）進行最終組裝。在Die-to-Die接口中加入冗余與修復(fù)功能，有助于提升組裝、測試及量產(chǎn)階段的封裝良率。此外，需密切監(jiān)控供應(yīng)鏈，確保所有芯粒組件與封裝材料的采購穩(wěn)定可靠。

設(shè)計時融入安全考量

安全應(yīng)作為所有基于芯粒的系統(tǒng)的基礎(chǔ)要素。需確保每個芯粒都通過信任根（RoT）進行認證與錨定，以防止未授權(quán)訪問，并安全管理密鑰（尤其在多租戶環(huán)境中）。通過加密技術(shù)與安全通信協(xié)議保護芯粒間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。同時，需規(guī)劃安全啟動流程，從硬件與軟件兩個層面防范篡改行為。

投入開展系統(tǒng)級設(shè)計與驗證

盡早且高頻率地開展系統(tǒng)級仿真與硬件輔助驗證，有助于在硬件制造前發(fā)現(xiàn)集成問題，節(jié)省寶貴的時間與資源。采用軟硬件協(xié)同設(shè)計模式，可加速開發(fā)進程，縮短產(chǎn)品上市時間。為單個芯粒與最終封裝系統(tǒng)制定完善的測試計劃也至關(guān)重要，這是確?？煽啃耘c性能的關(guān)鍵。分級測試等新方法可用于評估單個芯粒，并驗證其在Multi-Die設(shè)計中組裝后的性能。此外，還需投入資源開展系統(tǒng)級熱建模與串擾分析，以準確評估最終產(chǎn)品中的Multi-Die相互作用。

聚焦控制與管理系統(tǒng)

許多芯粒（尤其在數(shù)據(jù)中心環(huán)境中）可受益于專用的控制與管理系統(tǒng)。這類系統(tǒng)配備CPU，負責管理初始化、低速外設(shè)以及RoT等安全功能。通過收集、匯總與分發(fā)遙測數(shù)據(jù)，這類系統(tǒng)還能提升芯片的可靠性、可用性與可服務(wù)性（RAS）。

借力生態(tài)系統(tǒng)合作伙伴與專業(yè)技術(shù)

由于芯粒技術(shù)與方案仍相對較新且在持續(xù)演進，與經(jīng)驗豐富的伙伴合作至關(guān)重要。新思科技等行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者不僅提供經(jīng)過硅驗證的IP解決方案，還提供設(shè)計服務(wù)與封裝指導(dǎo)。這些IP解決方案正與Arm計算子系統(tǒng)（CSS）集成，以進一步加快芯粒開發(fā)速度、降低風(fēng)險。及時了解最新的芯粒標準也同樣關(guān)鍵：通用UCIe聯(lián)盟、JEDEC等行業(yè)組織會提供關(guān)于芯粒技術(shù)新進展的重要更新與資源；而imec、ASRA等機構(gòu)則在為汽車行業(yè)制定專門的芯粒提案與指導(dǎo)規(guī)范。

釋放基于芯粒設(shè)計的優(yōu)勢

基于芯粒的設(shè)計方案為打造下一代高性能系統(tǒng)提供了靈活且可擴展的路徑。設(shè)計團隊通過遵循上述最佳實踐，能夠從容應(yīng)對（芯粒設(shè)計的）復(fù)雜性，充分發(fā)揮基于芯粒方案的優(yōu)勢。若需在整個芯粒開發(fā)周期（從概念構(gòu)思到產(chǎn)品落地）中獲取專業(yè)指導(dǎo)，建議與精通從芯片到系統(tǒng)集成全領(lǐng)域的專家展開合作。