隨著半導(dǎo)體工藝逐漸逼近物理極限，單純依靠制程微縮已難以滿足人工智能、高性能計(jì)算等領(lǐng)域?qū)λ懔εc能效的持續(xù)增長(zhǎng)需求。在此背景下，Chiplet作為一種“后摩爾時(shí)代”的異構(gòu)集成方案應(yīng)運(yùn)而生，它通過(guò)將不同工藝、功能的模塊化芯片進(jìn)行先進(jìn)封裝集成，成為應(yīng)對(duì)高帶寬、低延遲、低功耗挑戰(zhàn)的核心路徑。

然而，這種架構(gòu)也將設(shè)計(jì)的復(fù)雜性從單一的硅晶圓擴(kuò)展至整個(gè)封裝系統(tǒng)，使得機(jī)械應(yīng)力、熱管理、信號(hào)完整性及電源完整性等多物理場(chǎng)問(wèn)題相互交織，構(gòu)成了前所未有的仿真與驗(yàn)證挑戰(zhàn)。

多物理場(chǎng)問(wèn)題凸顯封裝設(shè)計(jì)復(fù)雜性

Chiplet的2.5D、3D等先進(jìn)封裝結(jié)構(gòu)，在提升集成度的同時(shí)，也引入了顯著的多物理場(chǎng)耦合效應(yīng)。

機(jī)械翹曲問(wèn)題因封裝尺寸增大、材料種類繁多及熱應(yīng)力集中而加劇，其仿真精度高度依賴于對(duì)生產(chǎn)工藝和材料屬性的精確建模。

熱管理挑戰(zhàn)則源于多芯片功耗疊加與局部熱密度過(guò)高，仿真需精確構(gòu)建從芯片內(nèi)部模塊到系統(tǒng)級(jí)散熱路徑的完整熱阻網(wǎng)絡(luò)。這些機(jī)械與熱效應(yīng)會(huì)進(jìn)一步改變傳輸線的電氣特性，使得純粹的信號(hào)分析必須讓位于多物理場(chǎng)協(xié)同仿真。

在所有這些挑戰(zhàn)中，信號(hào)完整性問(wèn)題因其直接關(guān)系到系統(tǒng)穩(wěn)定性而尤為關(guān)鍵。其首要挑戰(zhàn)在于跨尺度電磁建模難度。同一封裝內(nèi)，互連結(jié)構(gòu)尺寸從亞微米級(jí)別的硅中介層布線，跨越至數(shù)十微米級(jí)別的有機(jī)基板走線，這種尺度差異對(duì)電磁仿真工具的網(wǎng)格剖分與算法精度構(gòu)成了極限考驗(yàn)。

與此同時(shí)，Die-to-Die接口的數(shù)據(jù)速率正持續(xù)攀升。在高布線密度下，嚴(yán)重的串?dāng)_與傳輸損耗，結(jié)合為追求低功耗而簡(jiǎn)化的IO設(shè)計(jì)，使得信號(hào)時(shí)序裕量被極度壓縮。這要求仿真工具不僅需提供SPICE級(jí)別的電路仿真精度，還必須具備SI/PI協(xié)同分析能力，以精確評(píng)估電源噪聲對(duì)敏感時(shí)序的影響。

電源完整性同樣面臨嚴(yán)峻考驗(yàn)。AI等應(yīng)用中的計(jì)算單元會(huì)產(chǎn)生特定頻率的突發(fā)電流，對(duì)電源網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成周期性沖擊。而高速接口的核心與IO電源則需在承受大電流的同時(shí)，維持極低的噪聲水平。

仿真難點(diǎn)在于，電源網(wǎng)絡(luò)的電磁建模面臨與信號(hào)網(wǎng)絡(luò)類似的跨尺度挑戰(zhàn)，且需在時(shí)域中模擬最惡劣的工作場(chǎng)景電流。成功的電源完整性仿真依賴于對(duì)電源分配網(wǎng)絡(luò)頻域阻抗的精準(zhǔn)優(yōu)化，以及通過(guò)瞬態(tài)仿真對(duì)負(fù)載突變引發(fā)的電壓波動(dòng)進(jìn)行充分驗(yàn)證。

精度與效率的再平衡，驅(qū)動(dòng)工具鏈演進(jìn)

目前，行業(yè)正面臨長(zhǎng)瞬態(tài)仿真與統(tǒng)計(jì)仿真的取舍困境。長(zhǎng)瞬態(tài)仿真可真實(shí)反映物理特性，是精度驗(yàn)證的基線，但其計(jì)算成本隨著信號(hào)速率與信道長(zhǎng)度的增加而變得難以承受。統(tǒng)計(jì)眼圖算法雖能將仿真時(shí)間從數(shù)周縮短至分鐘級(jí)，但其固有的系統(tǒng)性誤差在Chiplet對(duì)時(shí)序裕量要求極高的背景下已不容忽視。

應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，需要仿真技術(shù)棧的整體演進(jìn)。行業(yè)參與者正在探索相應(yīng)的技術(shù)路徑，例如通過(guò)高保真電路模型、高精度電磁場(chǎng)模擬及混合求解器來(lái)應(yīng)對(duì)跨尺度建模問(wèn)題。以巨霖科技的SIDesigner平臺(tái)為例，通過(guò)集成電路級(jí)與統(tǒng)計(jì)仿真求解器，旨在平衡SI/PI協(xié)同仿真時(shí)的精度與效率需求，以解決傳統(tǒng)工具在網(wǎng)格剖分適應(yīng)性與統(tǒng)計(jì)眼圖精度等方面的具體痛點(diǎn)。

結(jié)語(yǔ)

Chiplet技術(shù)將芯片設(shè)計(jì)的戰(zhàn)場(chǎng)從單一的晶圓擴(kuò)展到整個(gè)封裝系統(tǒng)。在此背景下，信號(hào)與電源完整性已不再是孤立的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，而是與機(jī)械、熱等因素深度耦合的系統(tǒng)級(jí)問(wèn)題。突破跨尺度電磁建模、實(shí)現(xiàn)高效高精度的多物理場(chǎng)協(xié)同仿真，已成為推動(dòng)Chiplet技術(shù)持續(xù)演進(jìn)、釋放其全部性能潛力的關(guān)鍵所在。業(yè)界對(duì)新一代EDA工具的期待，正聚焦于其能否在更嚴(yán)苛的簽核標(biāo)準(zhǔn)下，真正打通從芯片到封裝乃至系統(tǒng)的全鏈路仿真。