堆疊硅片互聯(lián)技術(shù)的可行性

　　1. 概要

　　為盡早推出 28nm 高容量 FPGA 產(chǎn)品，賽靈思 (Xilinx) 通過(guò)以下工作滿足了關(guān)鍵需求：

　　充分利用 FPGA 的重復(fù)結(jié)構(gòu)創(chuàng)建分區(qū)，并將分區(qū)按編號(hào)組合起來(lái)以創(chuàng)建單個(gè)產(chǎn)品，相對(duì)于采用大型單片產(chǎn)品而言，在工藝節(jié)點(diǎn)生命周期的早期即實(shí)現(xiàn)了高良率特性。

　　使用具有高可靠性的微凸塊，將硅片連接至硅中介層。

　　使用 TSV 技術(shù)和在大批量生產(chǎn)中獲得全面驗(yàn)證的高密度互聯(lián)技術(shù)構(gòu)成中介層，實(shí)現(xiàn)低時(shí)延的芯片間通信和倒裝片封裝。

　　使用大面積標(biāo)準(zhǔn)焊接凸塊，實(shí)現(xiàn)從中介層到下一級(jí)的高可靠性連接功能。

　　堆疊硅片互聯(lián)技術(shù)能充分滿足大批量生產(chǎn)需求，從而確保 28nm FPGA 產(chǎn)品能夠具備卓越的高可靠性和大容量?jī)?yōu)勢(shì)。賽靈思將一系列業(yè)經(jīng)驗(yàn)證的大批量生產(chǎn)技術(shù)完美結(jié)合在一起，為需要大容量FPGA 的系統(tǒng)提供了高度創(chuàng)新的解決方案。

　　2. 挑戰(zhàn)性綜述

　　賽靈思的 Virtex-7 產(chǎn)品包含多達(dá) 200 萬(wàn)個(gè)可用的邏輯門，與 Virtex-6 系列相比，可將每個(gè)門的功耗降低 50%。此外，Virtex-7 系列還支持速率高達(dá) 28Gbps 的高速 SERDES，并集成了大量 DSP 模塊。

　　較大容量 FPGA 產(chǎn)品有潛力成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心，而不是僅具備支持隨機(jī)門的功能，因而可為客戶提供眾多顯著優(yōu)勢(shì)，如在各種系統(tǒng)類型和應(yīng)用細(xì)分領(lǐng)域中實(shí)現(xiàn)全新的產(chǎn)品系列。

　　需要解決的一大關(guān)鍵問(wèn)題領(lǐng)域就是，如何用新的技術(shù)節(jié)點(diǎn)改進(jìn)超大尺寸產(chǎn)品的低良率問(wèn)題。隨著缺陷密度水平的降低，良率會(huì)隨著時(shí)間的推移不斷上升，但這需要 18 到 24 個(gè)月的時(shí)間。

　　下圖顯示了 28nm 和 20nm 技術(shù)在缺陷密度方面的改進(jìn)情況。

　　圖 1

　　28nm 和 20nm技術(shù)的缺陷密度水平

　　新技術(shù)缺陷密度水平的降低相對(duì)較快，但也要 18 到 24 個(gè)月才能實(shí)現(xiàn)大尺寸芯片的高良率。賽靈思采用的方案是通過(guò) FPGA 產(chǎn)品的重復(fù)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn) N 個(gè)較小芯片，此外， N 可以是 2、4 或更多，N 個(gè)芯片組裝在一起就形成了一個(gè)有著相同特性的大型芯片。

　　這就克服了分別封裝 N 個(gè)芯片所帶來(lái)的挑戰(zhàn)，因而不會(huì)出現(xiàn)芯片、封裝以及開(kāi)發(fā)板之間來(lái)回出現(xiàn)的延遲，有效避免了高功耗和延遲過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題。

　　由于使用了較小尺寸的芯片，我們能夠快速提高晶圓產(chǎn)量，避免了與大尺寸芯片相關(guān)的良率下降問(wèn)題。

　　隨著缺陷密度水平的降低，多芯片與單芯片解決方案之間的凈良率差異將減小。但是，使用較小芯片的性能優(yōu)勢(shì)仍保持不變。

　　大尺寸芯片上的大容量 FPGA 互連長(zhǎng)度非常長(zhǎng)，對(duì)于采用 28nm 工藝的緊密柵距互連結(jié)構(gòu)而言，物理參數(shù)稍有變化就會(huì)對(duì)關(guān)鍵路徑的延遲產(chǎn)生較大影響。隨著技術(shù)不斷成熟，諸如TSMC等晶圓廠商將逐漸縮小延遲差異。

　　因而，我們面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)是，如何使用多芯片方案，在新技術(shù)節(jié)點(diǎn)剛剛可用的早期階段實(shí)現(xiàn)低延遲互連。