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由于衛(wèi)星和潛艇等系統(tǒng)通常需要在極端環(huán)境中運(yùn)行，比如外太空和深海，因此航空航天等領(lǐng)域的芯片設(shè)計(jì)對(duì)尺寸、重量和功耗（SWaP）有著極其嚴(yán)苛的需求。單片SoC顯然不能滿足需求，因此航空航天等領(lǐng)域的芯片開(kāi)發(fā)者正在探索3D異構(gòu)集成（3DHI）設(shè)計(jì)。
在3DHI芯片設(shè)計(jì)中，異構(gòu)裸片集成在多個(gè)層級(jí)中，裸片間既有垂直互連又有水平互連。開(kāi)發(fā)者可通過(guò)3DHI架構(gòu)將大型系統(tǒng)壓縮到小型封裝中，降低開(kāi)發(fā)不同版本的成本，以滿足應(yīng)用多樣性的要求，進(jìn)而為相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域帶來(lái)更多針對(duì)性解決方案、更優(yōu)異的功能密度特性和更理想的SWaP結(jié)果。
本文將詳細(xì)介紹3DHI在航空航天領(lǐng)域中面臨的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。
為無(wú)人機(jī)/飛機(jī)等領(lǐng)域提供充足帶寬和優(yōu)越性能
航空航天系統(tǒng)現(xiàn)在也越來(lái)越智能化了，通常具有需要高計(jì)算密度的自動(dòng)化和認(rèn)知處理等功能。以負(fù)責(zé)執(zhí)行監(jiān)控任務(wù)的無(wú)人機(jī)為例，此類處理過(guò)程必須在功耗和重量均有限的小尺寸設(shè)備中進(jìn)行。隨著摩爾定律逐漸放緩，支持這些應(yīng)用的單片SoC在密度、可擴(kuò)展性和良率等方面將會(huì)達(dá)到極限。
3DHI設(shè)計(jì)能夠?qū)⒉煌瞥毯筒牧系穆闫M(jìn)行混合搭配，以滿足各種不同的功能需求，并達(dá)到期望的功能密度和性能。為了節(jié)約成本，其實(shí)并非每個(gè)組件都需要采用先進(jìn)制程，而且還可以考慮融入諸如氮化鎵(GaN)或碳化硅(SiC)之類的特殊材料，與硅CMOS相結(jié)合。
3D封裝不僅提供了出色的尺寸優(yōu)勢(shì)，還不犧牲帶寬。相比于2D封裝，3D封裝兼具超短延遲和低功耗位傳輸?shù)葍?yōu)勢(shì)，而且能夠使用更小的芯片來(lái)提高良率。另外，3DHI方案還支持針對(duì)不同的應(yīng)用領(lǐng)域或設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)高效復(fù)用，使設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)能夠輕松地將一個(gè)用于載人飛機(jī)的SoC設(shè)計(jì)復(fù)用到無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)中。
在航空航天等領(lǐng)域，3DHI設(shè)計(jì)的潛力尚未完全挖掘，仍有廣闊的發(fā)展空間。為了實(shí)現(xiàn)這一設(shè)計(jì)理念在此類領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，我們必須不斷突破技術(shù)難關(guān)，砥礪前行。接下來(lái)我們將深入剖析目前的技術(shù)現(xiàn)狀，以及為滿足批量生產(chǎn)的需求，我們應(yīng)具備哪些條件。
芯片設(shè)計(jì)研發(fā)機(jī)遇層出不窮
航空航天等應(yīng)用領(lǐng)域目前仍普遍采用單片集成的2D設(shè)計(jì)方法。但未來(lái)的趨勢(shì)正在向3D設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變，預(yù)計(jì)在10~20年內(nèi)，3D設(shè)計(jì)將成為主流。隨著復(fù)雜性和層數(shù)的增多，我們預(yù)計(jì)會(huì)出現(xiàn)分解式設(shè)計(jì)，這些設(shè)計(jì)將由采用多種工藝和材料類型的裸片組成，并通過(guò)密集型互連機(jī)制將裸片連接起來(lái)。未來(lái)的封裝、組裝和測(cè)試將根據(jù)系統(tǒng)與外界的通信方式和集成特點(diǎn)進(jìn)行。
如何把大規(guī)模的3DHI設(shè)計(jì)應(yīng)用到航空航天領(lǐng)域？從電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）的角度，開(kāi)發(fā)者們需要克服諸多問(wèn)題，比如如何克服裸片層之間的交叉耦合效應(yīng)采用何種連接方式最佳？如何開(kāi)發(fā)出值得信賴的組件？如何連接不同制程節(jié)點(diǎn)、不同類型甚至不同尺寸的晶圓？如何為不同材料提供有效的散熱解決方案等。
為了解決這些問(wèn)題，一個(gè)值得考慮的方法是在3DHI組件中集成裸片測(cè)試和糾錯(cuò)功能。這樣可以在系統(tǒng)出廠前主動(dòng)發(fā)現(xiàn)并解決存在的問(wèn)題，還能為未來(lái)的意外狀況做好準(zhǔn)備。
冗余和彈性同樣重要。由于芯片器件通常都存在老化效應(yīng)，系統(tǒng)中的一些裸片可能會(huì)隨著時(shí)間的推移而逐漸磨損。為了防止整個(gè)系統(tǒng)出現(xiàn)故障，我們需要開(kāi)發(fā)出能夠在單個(gè)區(qū)域發(fā)生故障時(shí)進(jìn)行調(diào)整的設(shè)計(jì)。只有這樣，我們才能確保3DHI設(shè)計(jì)在航空航天等系統(tǒng)中的穩(wěn)定性和可靠性。
封裝從手動(dòng)開(kāi)發(fā)向自動(dòng)開(kāi)發(fā)的轉(zhuǎn)變是一次升級(jí)。此外，多個(gè)領(lǐng)域都迎來(lái)眾多研發(fā)機(jī)遇，包括Multi-Die、多技術(shù)集成和裝配、用于搭建架構(gòu)、設(shè)計(jì)、仿真和測(cè)試的工具，以及安全防護(hù)、熱管理和電源管理等領(lǐng)域。這些領(lǐng)域都可以通過(guò)現(xiàn)代數(shù)字孿生技術(shù)進(jìn)行建?！，F(xiàn)在，我們亟需繼續(xù)探索和開(kāi)發(fā)抽象工具，從而幫助開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)更深入地理解和處理系統(tǒng)的各個(gè)層次，做出更明智、更準(zhǔn)確的決策。
總結(jié)
從雷達(dá)設(shè)備到飛機(jī)、航天器，這些航空航天系統(tǒng)和應(yīng)用正變得越來(lái)越智能。為了滿足對(duì)更大算力和更低SWaP的需求，開(kāi)發(fā)者們必須在傳統(tǒng)單片SoC的基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新。于是3DHI設(shè)計(jì)應(yīng)運(yùn)而生，滿足了一系列應(yīng)用（包括雷達(dá)）的核心需求，比如，通過(guò)將異構(gòu)裸片集成在一個(gè)封裝中實(shí)現(xiàn)高帶寬和小巧外形。要應(yīng)對(duì)3DHI架構(gòu)帶來(lái)的各種關(guān)鍵設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，當(dāng)前的工具流程和方法有著巨大的調(diào)整空間。通過(guò)持續(xù)研發(fā)投入，更強(qiáng)大的工具和技術(shù)將不斷涌現(xiàn)。在未來(lái)十年左右，3DHI設(shè)計(jì)有望成為航空航天領(lǐng)域的主流技術(shù)。
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