chiplet之间如何通信

芯片小芯片技术通过将复杂系统分解为多个独立模块并重新集成，实现了性能与成本的优化平衡。其核心挑战在于模块间高效可靠的通信互连。本文系统剖析了芯片小芯片通信的物理基础、协议标准、封装集成、信号完整性、电源管理、测试验证及未来趋势等十二个关键维度，结合行业标准与前沿实践，为读者构建从原理到应用的完整知识框架。

       在半导体技术攀登性能高峰却面临物理与成本瓶颈的今天，芯片小芯片技术如同一把精巧的钥匙，开启了新的可能性。它将一个庞大复杂的单片系统芯片，分解为多个功能、工艺甚至来源各异的独立小芯片，再通过先进封装技术将它们紧密集成在一起。然而，这场“化整为零、聚零为整”的革命，其成败关键恰恰系于那些看不见的“桥梁”与“对话”——即芯片小芯片之间如何实现高效、可靠、低延迟的通信。这不仅仅是物理连线的艺术，更是一套融合了材料科学、电路设计、协议标准与系统架构的深度工程。

       通信的物理基石：从微观连线到宏观互联

       芯片小芯片通信的物理层是实现一切功能的基础。当前主流技术路线主要分为两大阵营：基于硅中介层的微凸块互联与基于再分布层的扇出型封装互联。前者，如台积电的集成芯片系统技术，利用硅材料制作的中介层，其上布设极细间距的铜柱微凸块，为小芯片提供超高密度的垂直与水平连接通道，带宽潜力巨大，尤其适合高性能计算场景。后者，如扇出型晶圆级封装，则通过在芯片周围重构环氧模塑料形成新的布线层，实现小芯片间的互连，其优势在于成本相对较低、集成灵活度高，适用于对成本敏感的大众市场。这两种路径并非互斥，而是在性能、成本与集成度之间寻求最佳平衡点。

       核心协议标准：构建互通的“语言”体系

       物理连接如同铺设了道路，而路上跑什么车、遵循什么交通规则，则由协议标准定义。通用芯片互连技术是当前最受瞩目的开放标准之一，由英特尔主导并贡献给行业组织。它定义了一套完整的分层协议栈，涵盖物理层、链路层、协议层与软件层，旨在实现不同厂商小芯片间的标准化互连。其物理层采用高效的串行点对点链路，链路层则负责流控制与错误恢复，确保了数据传输的可靠性。另一重要标准是开放高性能总线接口，它更侧重于为人工智能与高性能计算加速器提供高带宽、低延迟的缓存一致性互联。这些标准如同通信领域的“普通话”，致力于打破私有接口的藩篱，构建繁荣的芯片小芯片生态系统。

       先进封装集成：通信的载体与赋能者

       封装已从简单的保护外壳，演变为决定系统性能的关键环节。2.5维封装与3维封装是支撑芯片小芯片通信的两大高级形态。2.5维封装中，小芯片并排放置在硅中介层上，通过中介层内的布线进行通信，这提供了比传统印刷电路板高得多的互连密度与带宽。3维封装则更进一步，将小芯片在垂直方向上进行堆叠，并使用硅通孔技术直接穿透芯片实现纵向互连。硅通孔能极大缩短互连长度，从而显著降低延迟与功耗，是实现存算一体等前沿架构的理想选择。封装技术的进步，直接拓宽了芯片小芯片通信的“道路”宽度与“立交”复杂度。

       信号与电源完整性：保障通信质量的隐形守护者

       在高速度、高密度、小尺寸的芯片小芯片系统中，信号与电源完整性设计面临严峻挑战。串扰、反射、同步开关噪声等问题会严重劣化通信质量。设计师必须采用精密的建模与仿真工具，对传输线特性、阻抗匹配、电源分配网络进行协同优化。例如，在硅中介层或再分布层中采用屏蔽差分对布线来抑制串扰；设计去耦电容网络来稳定供电电压；采用先进的均衡与前向纠错技术来补偿信道损耗。这些措施确保了数据在复杂互联网络中传输时，眼图清晰、误码率极低，通信链路稳定可靠。

       测试与可测试性设计：通信链路可靠性的前置保障

       由于芯片小芯片在封装后才形成完整系统，其互连网络的测试变得异常复杂且关键。必须在封装前对每个独立小芯片进行充分测试，同时在封装后对整个互连系统进行测试。可测试性设计因此至关重要，例如在互连接口中嵌入内置自测试电路、边界扫描链或专用的测试访问端口。这些设计允许在制造的不同阶段，对通信链路的开路、短路、延迟故障进行检测与诊断。有效的测试策略是确保最终产品良率与可靠性的生命线，避免了因单个互连故障导致整个昂贵封装系统失效的巨大损失。

       功耗与热管理：通信效率的紧约束条件

       通信本身并非零成本操作，它消耗能量并产生热量。在芯片小芯片架构中，互连部分的功耗可能占据系统总功耗的相当比例。优化通信功耗涉及多个层面：在电路层，采用低压摆幅信号技术；在架构层，设计智能的时钟门控与电源门控，使空闲链路进入低功耗状态；在协议层，优化数据包格式与流量控制以减少无效传输。同时，密集集成带来的热密度升高问题不容忽视，通信活动集中的区域可能成为热点，需要通过封装内的热界面材料、微流道冷却甚至固态冷却等技术进行高效散热，防止热效应导致性能下降或可靠性问题。

       系统级架构与划分：通信需求的源头决策

       芯片小芯片之间需要怎样的通信性能，根本上取决于系统架构师如何对功能进行划分。是将计算核心、高速缓存、输入输出控制器、内存控制器分别做成独立小芯片，还是采用其他划分方式？不同的划分决定了小芯片间通信的带宽、延迟和一致性要求。例如，计算核心与高速缓存之间需要超低延迟、高一致性的互连；而计算核心与输入输出设备之间则可能更关注带宽。架构师必须在功能模块化带来的灵活性、可复用性优势，与由划分引入的额外通信开销之间，做出精妙的权衡，这是芯片小芯片通信设计的顶层逻辑。

       异构集成与工艺节点混搭：通信接口的兼容性挑战

       芯片小芯片技术的魅力之一在于能够集成不同工艺节点制造的小芯片。例如，将采用最先进工艺的计算小芯片与采用成熟特色工艺的模拟射频小芯片集成在一起。但这带来了接口电压、信号电平、时序规范的差异。通信接口必须设计成能够适应这些差异，可能需要集成电平转换器、时钟域交叉电路等。同时，不同工艺芯片的热膨胀系数可能不同，在温度变化时产生的机械应力也会影响长期互连可靠性，这需要在材料与机械设计层面予以考虑。

       设计方法学与工具链：通信实现的工程脚手架

       传统的电子设计自动化工具链主要面向单片系统芯片设计，对于涉及多芯片、多物理域协同设计的芯片小芯片系统，现有工具存在诸多不足。新的设计方法学需要支持从系统划分、芯片与封装协同设计、物理实现到签核验证的全流程。这要求工具能够处理异构集成带来的复杂性，实现跨芯片的时序收敛、电源完整性分析与热分析。业界正在积极发展新的标准与工具平台，以应对这些挑战，使设计师能够更高效地规划和实现复杂的芯片小芯片通信网络。

       安全与可信通信：不容忽视的防御阵线

       当系统由多个可能来自不同供应商的小芯片构成时，芯片间通信信道可能成为安全攻击的新目标。窃听、篡改、伪造等威胁真实存在。因此，必须在通信协议栈中集成安全机制。这包括使用基于硬件的加密引擎对传输数据进行加密，实施身份认证以确保通信对方是可信小芯片，以及利用物理不可克隆功能等技术生成唯一密钥。构建安全的芯片小芯片通信体系，是确保整个异构集成系统可信赖的基石，尤其在数据中心、自动驾驶等关键应用领域。

       新兴技术与未来演进：通信范式的持续突破

       技术创新永无止境。光子学互联被视为下一代超高带宽、超低功耗互连的候选技术，通过封装内集成的微型光引擎，利用光信号替代部分电信号进行芯片小芯片通信。无线芯片小芯片通信也在探索中，利用毫米波或太赫兹频段在极短距离内进行无线数据传输，可以简化封装布线复杂性。此外，基于碳纳米管、石墨烯等新材料的互连技术，有望提供更好的电学与热学性能。这些前沿探索正在为芯片小芯片通信绘制更宏伟的蓝图。

       生态系统与产业协作：推动通信标准普及的土壤

       芯片小芯片通信技术的成熟与广泛应用，离不开健康、开放的产业生态系统。这需要芯片设计公司、集成器件制造商、封装代工厂、电子设计自动化工具供应商、知识产权提供商乃至终端用户的深度协作。行业联盟在推动接口标准统一、建立认证体系、共享技术路线图方面扮演着核心角色。只有当产业链各方在共同的“语言”和“接口”下协同创新，芯片小芯片技术的潜力才能被充分释放，实现真正的即插即用与规模化效益。

       综上所述，芯片小芯片之间的通信是一个多层次、多学科交织的复杂系统工程。它从物理介质的微观构造出发，历经协议标准的规范定义，通过先进封装技术实现实体集成，并依靠精密的信号、电源、热管理与测试设计确保其鲁棒性，最终服务于由系统架构决策所驱动的通信需求。随着设计方法、安全机制不断完善，以及光子互联等新技术的萌芽，这条连接芯片小芯片的“信息高速公路”正变得日益宽广、高效与智能。它不仅是芯片小芯片技术得以成立的“粘合剂”，更是推动整个半导体产业向更高性能、更高集成度、更灵活创新模式演进的核心引擎。理解并掌握其通信之道，便握住了开启未来计算世界的一把关键钥匙。