芝能智芯出品
算力AI芯片技术进入先进制程时代，单片集成和3D封装成为解决高密度计算需求的重要途径。然而，这一转变伴随着复杂的设计权衡，包括架构规划、热管理、功率优化以及工艺整合等多方面挑战。
我们从核心问题出发，深入剖析尖端芯片设计中面临的关键技术壁垒，看看有哪些可能的解决路径。
Part 1
先进算力芯片的设计核心问题
● 功能架构与物理架构的两难
芯片设计的起点始于功能架构。然而，这一阶段的决定会限制物理架构的选择。例如，片上内存的增加虽能提升性能，但会显著增加成本与硅片面积占用。
此外，GPU类型的选择、互连距离的预估以及内存带宽的分配，都是早期需要解决的问题。
现有工具如Synopsys的Platform Architect，可以提供性能指标的初步估算，但仍需更高精度的模拟与优化工具支持。
● 3D封装和单片集成代表了两种截然不同的技术路径：
◎ 3D封装借助硅通孔（TSV）、中介层等技术，将独立的功能模块组装在单一封装中，其优势在于灵活性和供应链协同，但高带宽互连的实现受到TSV面积占用的限制。
◎ 单片集成则通过在单一基板上生长多层有源器件，减少互连距离并提升集成度，但面临更高的工艺要求。例如，层转移技术虽能优化顶层与底层的制造，但高昂的成本与复杂的工艺流程让其难以规模化应用。
● 热管理与功率优化的相互制约
3D芯片设计提高了计算密度，却带来了严重的散热问题。以A10纳米片工艺与A5 CFET工艺的对比为例，尽管A5工艺显著缩短了互连距离并提升了计算密度，但温度上升9°C，功率密度增加12%-15%，这些都对热管理提出了更高要求。
当前解决路径包括：
◎ 调整层间电介质（ILD）厚度以优化热传导路径。
◎ 引入宽带隙材料如AlN或金刚石以提升散热性能，但其高成本和制造难度限制了应用。
单片集成需要多层工艺的高度兼容，尤其是在2D半导体与传统硅基工艺的结合上。例如，生长高质量2D材料需极高温度，转移过程中的粘合剂残留清理与层平整度控制成为关键技术挑战。未来，更多针对性材料和工艺创新将是推动这一领域发展的关键。
Part 2
设计方向有哪些路径变化
功能架构、物理架构与系统架构需要更紧密的协同，进一步开发具备跨层分析与优化能力的工具，以在设计初期充分考虑热、功率与性能的全局影响。
3D封装和单片集成技术的成熟需要更广泛的生态支持。从供应链管理到材料、工具标准化，跨企业协作将是关键一步。
当前封装材料与散热解决方案仍未达到理想水平，解决的办法是找到更高热导率的材料，如优化结构的AlN薄膜或纳米结构化金刚石。降低层转移工艺成本的创新技术，例如开发可重复使用的生长基板与新型粘合剂。
早期的机器学习工具已经展现出辅助设计的潜力，这些工具有望在架构层次的不同维度间建立更智能的优化方案，从而降低复杂性并提升效率。
小结
尖端芯片设计的权衡，折射出技术革新与现实限制的博弈。从功能架构的设计到封装工艺的选择，每一步都需要综合考虑性能、功率、热管理与成本，3D封装与单片集成将是提升芯片计算能力的关键路径，实现这一目标需要设计工具、工艺材料与产业协同的全面进步。
