芯耀辉：后摩尔时代的Chiplet D2D解决方案

编者按：本篇内容转载自芯耀辉，本文内容已被中国IC设计特刊收录。

作者简介

方刘禄，硕士，高级工程师，主要研究方向：高速接口电路

章新栾，硕士，高级工程师，主要研究方向：高速接口电路数字设计

冯博，博士，工程师，主要研究方向：高速接口电路模拟设计

（三位作者目前都工作于芯耀辉科技有限公司）

1.后摩尔时代向Chiplet的战略转变

当前摩尔定律逐步趋向物理极限，半导体行业正在发生重大的战略转变。基于Chiplet架构的芯片设计理念逐渐成为行业主流。这一战略转变的驱动因素主要有以下几种：

1)单芯片的尺寸变得太大，无法制造；

2)充分利用已有KGD（Known Good Die）芯片实现复杂功能芯片，可以减少设计周期和成本，并提高良率。

在这些驱动因素下，整个Chiplet行业在2031年有望达到471.9亿美元[1]，如图1所示，Chiplet市场在2021~2031十年期年复合增长率保持36.4%；其中实现Die to Die（D2D）互连的接口IP市场在2026达到3.24亿美元[2]，D2D IP市场在2021~2026五年期年复合增长率高达50%，如下图2所示。

图1 Chiplet市场

图2 D2D IP市场趋势

Chiplet应用场景主要分两种，第一种是将同工艺大芯片分割成多个小芯片，然后通过接口IP互连在一起实现算力堆叠；第二种是将不同工艺不同功能的芯片通过接口IP互连并封装在一起实现异构集成，如图3所示。算力堆叠主要应用于CPU、TPU和AI芯片等，对接口IP的要求是低延迟和低误码率，通常采用并行接口IP。异构集成，主要应用于CPU、FPGA和通信芯片等，对接口IP的要求是标准化，兼容性，可移植性和生态系统等，通常采用串行接口IP。

图3 典型应用场景

为了便于组装不同供应商开发的芯粒，需要标准化的芯粒间互连标准，行业联盟已共同定义出多种芯粒互连标准，如XSR，BoW，OpenHBI，UCIe等。它们的主要性能指标如图4所示。其中，XSR采用差分串行结构，目前最高速率达112Gbps，可用于异构集成连接IO die；后3种采用单端并行结构，目前最高速率是UCIe的32Gbps, 同时它还定义了完整的协议层，继承了CXL和PCIe的生态优势，可用于算力堆叠中计算IP间的互连。

图4 主流D2D的关键指标

完整的D2D解决方案包括：D2D接口IP设计、D2D封装设计和D2D测试,下面分别做详细介绍。

2.D2D接口IP设计解决方案

D2D接口IP由物理层(PHY)和控制器组成，如下图5所示。物理层PHY是封装介质的电气接口。从分层结构上分为模拟PHY和数字PHY，模拟PHY包括电气AFE（发射器、接收器）以及边带信道，可实现两个晶粒之间的参数交换和协商。数字PHY包括链路初始化、训练和校准算法以及测试和修复功能。从接口类型上分并行接口和串行接口。

控制器由链路层（Link layer）和逻辑物理层（Physical Layer Logical）。链路层负责上层协议接口适配，协议仲裁和协商，以及基于 CRC，可选的FEC（Forward Error Correction）和重传机制来确保链路可靠地传输数据；逻辑物理层负责链路训练和管理功能以及具体的PHY适配（比如加扰，解扰，块对齐，OS插入和提取等）。在链路初始化时，逻辑物理层会等待 PHY 完成链路初始化，通过链路状态机进入工作模式。链路层会通过协商确定使用哪个协议（如果实施了多个协议）。控制器向上支持CXS、AXI、FDI（Filt aware D2D interface）接口来支持PCIe、CXL、UCIe以及SOC和RAW协议层；向下兼容RDI(Raw D2D interface)和PIPE接口来适配不同的物理电气层[3][4][5]。

下面分别介绍一下并口和串口的D2D PHY架构。

图5 D2D分层架构

2.1 并口D2D PHY架构

为了满足低延迟，高能效，低误码率要求，物理层接口采用单端并口传输，使用2.5D封装形式。并口D2D物理层结构如图6所示：

图6 并口D2D PHY系统框架

并口物理层模拟部分包括4个LM（Lane module），每个LM数据位宽为单向16bit，共64bit。可以根据所需带宽灵活配置LM数目。每个LM还可以配置1~2个Slicer用于Filt Header或CRC校验。每Lane具备高精度和高解析度自校准延迟线，RX线性连续时间均衡器（CTLE）和DFE均衡器以实现高速性能，并根据走线长度可关闭DFE均衡器，以降低功耗。

并口物理层数字部分包括的功能块有RDI_TX/RX_MAP实现RDI接口到LM的映射；SPU（Sideband Process Unit）/TFSM（Train FSM）/LSM（Link SM）实现PHY启动，Lane修复/反转，TX/RX训练，VREF训练，眼图训练，自适应，链路状态管理，链路双方配置等功能。

芯耀辉实现的并口物理层采用DDR模式传输数据，数据率为16Gbps，符合UCIe和CCITA发布的《小芯片接口总线技术要求》标准；使用Forward clock模式简化接收端设计，可以减小延迟，降低功耗；延迟时间从本端FDI到对端FDI小于2ns；能效0.5~1pJ/bit。

2.2串口D2D PHY架构

为了满足高带宽，较长距传输，较低封装成本的要求，物理层接口采用差分串口传输，使用2D substrate封装形式。串口D2D物理层结构如下图7所示：

图7 串口D2D PHY架构

串口物理层模拟部分包括8通道Analog Lane，每通道由TX和RX组成，可实现双向8通道全双工差分信号传输，兼容NRZ和PAM4信令，数据率覆盖2.5~112Gbps[6]。为适应较差的信道，TX采用3 Taps FFE均衡器，RX采用线性均衡器。为了优化延迟，时钟架构可采用Forward clock架构。为了优化功耗，每个通道可独立开关，独立运行。

串口物理层数字部分包括PMA Digital Control和PHY处理单元（PPU）。主要实现PHY上下电时序控制；上电时TX/RX校准、自适应算法及顺序控制；正常运行时，实时自适应校准；内建测试逻辑控制等功能。

芯耀辉实现的串口物理层兼容CEI-112G-XSR协议，最高速率达112Gbps，可均衡通道损耗达-10dB，带宽线密度约1Tbps/mm，能效1.5pJ/bit，延迟时间小于6ns，误码率小于1e-15。

3.D2D封装方案

适合D2D的封装类型包括传统的2D有机基板（Substrate），先进2.5D封装（RDL Fanout和Silicon Interposer）及3D封装（Hybrid Bonding）。具体选用那种封装类型，需综合考虑IO数量，IO密度，数据率，成本，复杂度和接口类型等因素，如图8所示[7]。通常对于高速串行接口，数据率越高，IO数量越少，IO密度越低，复杂度和成本也越低，建议采用2D或者RDL Fanout 2.5D封装类型。对于高密度并行接口，数据率越低，IO数量越多，IO密度越高，复杂度和成本也越高，建议采用2.5D或者3D封装类型。

图8 D2D封装类型选择

考虑到出Pin密度，电源Drop，信号完整性，减小基板层数，降低成本等因素。Bump map和互连走线采用如图9所示结构[2]。图中TX信号bump和RX信号bump分开单独放一起，可以方便对端Die的互连，减小走线间Cross talk；两个Die之间bump采用相隔近的与相隔近的互连，相隔远的与相隔远的互连，可以减少基板叠层，减小信号走线间交叠，从而减少成本，提高信号完整性。但这样会造成线与线间延迟时间的轻微差别，可以通过Die内Deskew功能去除。从信号完整性角度来看，还需要考虑Bump阻抗不连续，Via阻抗不连续，走线阻抗不连续和噪声耦合等问题。

图9 Bump map方案

封装设计好后，需要抽取S参数，并利用IBIS-AMI模型验证信号质量。能建模IBIS-AMI并验证走线S参数的工具有很多，它们中大部分都提供了自动化IBIS-AMI建模流程，可以基于图形界面设计[8]。如图10和图11所示，用户可以使用软件内建的常用算法模型，来快速对TX的FFE去加重预加重均衡和模拟输出（AnalogOut）以及RX的模拟输入（AnalogIn），CTLE连续时间线性均衡，AGC自动增益放大， DFE自适应判决反馈均衡和CDR时钟恢复等进行建模，既可设置为NRZ模式也可设置为PAM4模式，而且内建的Channel模型可以很方便调用Touchstone格式的通道S参数。

图10中，Channel调用的通道S参数为-10dB@28GHz；TX设置为NRZ模式，数据率为56Gbps，摆幅为500mV，输入信号为PRBS31，FFE均衡不使能；RX 设置CTLE gain-boost从0dB到-10dB，AGC增益设置为1，DFE不使能，CDR使能。仿真得到的眼高175mV，眼宽15.76ps，COM为15.7dB。图11中，将设置改为PAM4模式，数据率为112Gbps，输入信号为QPRBS13，其它不变的情况下。仿真得到的眼图的三个眼高基本一致为40mV，眼的线性度RLM为99.8%。

图10用IBIS-AMI模型进行NRZ信号通道分析

图11用IBIS-AMI模型进行PAM4信号通道分析

4.D2D测试方案

以串口D2D为例。为了全面测试和debug数据链路，D2D接口IP在设计时，需考虑全面的环回测试路径，如图12所示。数据通路测试路径包括：数字侧近端环回路径A：本端数字部分内环测试；模拟侧近端环回路径B：本端模拟部分内环测试；模拟侧远端环回路径C：对端模拟部分外环测试；数字侧远端环回路径D：对端数字部分外环测试。时钟通路测试路径包括：时钟近端环回路径E：本端发送时钟至接收时钟的环回测试；时钟远端环回路径F：对端接收时钟至发送时钟的环回测试。

图12 环回测试模式

由于D2D高速引脚一般封装在Package内，不引出。这样对D2D IP的测试造成了一定的不方便。因此，测试方案和Package设计都需要特殊考虑。如图13所示[9][10]，测试需要2个Die（Octal Macro）实现TX到RX的环回测试。为了验证D2D IP能过不同的通道损耗，通道损耗设计为1dB~10dB@28GHz。为了真实测试出D2D IP的性能，需要对从PCB连接器处到封装基板的走线做去嵌处理。

图13D2D test setup and package view

采用以上测试方案，通道损耗为-10dB@28GHz时，芯耀辉设计的112G 串口D2D 样片TX输出的测试结果如图14所示。图中56G-NRZ测试采用PRBS31码型，眼高为363mV，Rj为345fs(rms)；56G-PAM4测试采用QPRBS13码型，三个眼高从上到下分别为224.6mV，235.6mV，229.0mV，RLM=97.7%；112G-PAM4测试采用QPRBS13码型，三个眼高从上到下分别为为99mV，109.2mV，97mV，RLM=95.3%。测试结果满足CEI-112G-XSR协议要求。

图14 XSR D2D TX测试结果

5.结束语

多晶粒Chiplet已成为芯片设计行业主流系统方案，D2D接口规范为设计人员带来了极具竞争力的性能优势，包括高能效 (pJ/b)，高带宽线密度 (Tbps/mm) 和低延迟 (ns)，支持主流IO协议以及任何用户定义的协议，支持多种封装类型。本文从接口IP设计到封装设计再到测试方案，详细介绍了Chiplet D2D解决方案。参照此方案可轻松实现多晶粒系统互连。

2022年4月，芯耀辉作为首批会员加入了UCIe组织，推出支持UCIe协议且兼容多样化D2D和C2C场景的“并口D2D PHY IP”以及高能效比和高宽带利用率的“串口112G D2D SerDes PHY IP”的完整D2D解决方案，如图15所示。同年10月，芯耀辉承接了国家科技部重点研发专项，作为国家队成员着力推动国内Chiplet标准CCITA的产业化落地。公司一直专注于高速接口IP领域，积累了丰富的经验和技术能力，已经为客户提供了5G、数据中心、网络交换机等相关芯片IP产品，率先实现了市场客户的量产。随着产业进一步的发展，以及相关的下游的封装等一些技术的成熟，Chiplet在国内的发展前景可期。

图15 芯耀辉完整IP解决方案

参考文献

[1]https://www.transparencymarketresearch.com/chiplets-market.html

[2]https://semiwiki.com/semiconductor-services/ipnest/315113-interface-ip-in-2021-1-3b-22-growth-and-3b-in-2026

[3]Universal Chip-let Interconnect Express (UCIe) Specification Revision 1.0 February 24,2022

[4]PCI Express Base Specification Revision 6.0 December 16,2021

[5]Compute Express Link Specification Revision 3.0,Version 1.0 August 1,2022

[6]Implementation Agreement:OIF-CEI-05.0,May 5,2022

[7]Synopsys,DesignWare Die-to-Die 112G USR/XSR PHY & Die-to-Die Controller,September 2021

[8]https://ww2.mathworks.cn/discovery/ibis-ami.html

[9]A.Cevrero et al.,"6.1 A 100Gb/s 1.1pJ/b PAM-4 RX with Dual-Mode 1-Tap PAM-4/3-Tap NRZ Speculative DFE in 14nm CMOS FinFET,"2019 IEEE International Solid-State Circuits Conference-(ISSCC),San Francisco,CA,USA,2019,pp.112-114

[10]R. Yousry et al.,"11.1 A 1.7-pJ/b 112Gbps XSR Transceiver for Intra-package Communication in 7nm FinFET technology,"2021IEEE International Solid-State Circuits Conference-(ISSCC),San Francisco,CA,USA,2021,pp.180-181

作者简介

方刘禄，硕士，高级工程师，主要研究方向：高速接口电路

章新栾，硕士，高级工程师，主要研究方向：高速接口电路数字设计

冯博，博士，工程师，主要研究方向：高速接口电路模拟设计

（三位作者目前都工作于芯耀辉科技有限公司）