Multi-Die如何引领后摩尔时代的创新？

过去50多年来，半导体行业一直沿着摩尔定律的步伐前行，晶体管的密度不断增加，逐渐来到百亿级别，这就带来了密度和成本上的极大挑战。随着摩尔定律逼近极限，传统的单片半导体器件已不再能够满足某些计算密集型、工作负载重的应用程序的性能或功能需求。如何进一步有效提高芯片性能同时把成本控制在设计公司可承受的范围内，成为了半导体产业链一致的难题。

Multi-Die成为行业发展大势

将多个die（或小芯片）放在一个封装下的Multi-Die系统，有诸多优势：

• 以具有成本效益的价格加速扩展系统功能（>2X reticle limits）
• 通过重复使用经过验证的设计/die，降低了风险和上市时间
• 在降低系统功耗的同时提高吞吐量，最高可达30%
• 为灵活的投资组合管理快速创建新的产品变体

那么哪些市场会比较青睐于采用Multi-Die系统呢？据新思科技对采用Multi-Die系统设计的调查，从应用领域来看，服务器/AI占主导地位，网卡/交换机也比较常用，智能手机/图形/PC领域上的采用主要是一些专用芯片，再就是一些光电共封和汽车领域正在向Multi-Die发展；从制程节点来看，5nm工艺采用Multi-Die的比例最大，再就是7nm和3nm。

随着2.5D、3D这样先进封装技术的进步，Multi-Die系统的实现也越来越成为可能。目前业内已有多个Multi-Die的商业实例，不仅仅是传统的芯片制造商在向Multi-Die发展，超大规模数据中心厂商、自动驾驶汽车厂商、网络公司等也都在设计自己的芯片，并以多种方式推动Multi-Die架构的转变，譬如AMD 的3D V-Cache、苹果的M2、英特尔Meteor Lake处理器、索尼的CIS、Lightmatter、特斯拉等。这些厂商对性能、安全和可靠性有着特殊的要求，Multi-Die则可以满足他们在特定领域下的这些需求。

但是从单片SoC到Multi-Die系统的迁移也不是易事。从单片SoC向Multi-Die系统迁移带来了必须从整体上解决的独特挑战：例如异构系统集成、功耗和热管理、系统设计规划、Die-to-Die连接、软件开发和建模、系统验证能力/性能、系统签核分析、分层测试和修复、可靠性和安全性、系统良率、内存利用率和一致性等等。在做每一个选择和决定时，都应考虑到方方面面及其对设计总体PPA目标的影响。

如何搭建一个Multi-Die系统

那么，要设计Multi-Die系统，从整个系统的角度来看，有哪些重要的步骤和需要考量的点呢？

首先，在设计之初时，即在早期架构探索阶段，必须采取分析驱动法来考虑各项宏观架构决策，如IP选择、硬件/软件分解、系统级功耗分析和互连/存储尺寸标注。此外，还要考虑与聚合（利用多个裸片组装系统）和分解（将应用分解到多个裸片上）相关的Multi-Die宏观架构决策。

围绕几个关键领域做出的早期架构决策可以从以下方面改进设计过程：一是将系统分成多个裸片，并且要满足扩展、制造和功能的需求；二是需要优化Multi-Die系统，包括优化带宽密度、每比特的能量、成本和延迟，选择芯片的的协议和接口，如UCIe等；最后是使用Multi-Die系统模型，评估不同制造和封装技术对性能的影响，加速架构的实现。

新思科技的全方位Multi-Die系统解决方案

由此可以看出，Multi-Die系统的实现需要理解上述所有设计过程之间的相互依赖性。对此，新思科技提供了业界较全面、具有可扩展的Multi-Die解决方案，为Multi-Die的成功实现提供了更快的路径。该解决方案包含全面的EDA工具和IP，不仅支持早期架构探索、快速的软件开发和验证、高效的裸片/封装协同设计，以及稳健和安全的die-to-die连接，而且还能改进芯片的健康状况和可靠性。久经生产考验的设计引擎以及黄金签核和验证技术能够更大限度地降低风险，并加速打造出色的系统。（如下图5所示）。

为了确保最终制造的良率和产品的可靠性，需要对产品质量进行测试，包括对Multi-Die系统中的各个裸片、内存、互联以及整个系统进行全面的测试、调试、维修，特别是像3DIC这样的多系统设计提出了独特的测试挑战，IEEE Std 1838-2019就是3DIC一个必须要满足的标准。最终保证已知合格裸片（KGD）、封装和系统的可用性。

在测试方面，新思科技的TestMAX™系列可以为半导体设备的所有数字、存储和模拟部分提供创新的测试和诊断功能。通过完整的RTL集成支持复杂可测性设计（DFT） 逻辑的早期验证，同时通过与新思科技Fusion Design Platform的直接链接保持物理、时序和功耗感知。这些新功能，再结合对早期可测试性分析和规划、分层ATPG压缩、物理感知诊断、逻辑 BIST、内存自测试和修复以及模拟故障模拟的全面支持。

另一方面可以通过芯片全生命周期管理（SLM）技术进行评估，SLM将监视器集成到设计的组件中，以便在设备的整个生命周期中提取数据，甚至在设备在现场的时候。从硅到系统收集到的深入的、可操作的见解允许持续的分析和优化。对于Multi-Die这一体系结构，重点将放在系统上，因此监控基础设施应该跨多个系统，在这方面，新思科技的SLM系列产品改进了设备生命周期每个阶段的操作指标，该系列有一整套集成工具、IP和方法，在系统的整个生命周期内智能高效地收集和存储监控数据，并通过使用强大的分析提供可操作的见解。