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深入了解 OpenHBI Die-to-Die 标准

Synopsys 高级产物营销经理 Manuel Mota

介绍

在设计 multi-die SoC 时,系统架构师面临多种设计选择和权衡。或许最基本的就是选择最佳的 SoC 封装技术:

  • 2D 封装,晶粒组装在有机基材和层压板上
  • 2.5D 封装,中介层使用硅或再分配层 (RDL) 扇出,用于在 SoC 中路由晶粒间信号
  • 3D 封装,使用混合粘合技术来垂直堆叠晶粒
  • 以上叁种封装技术的组合

图 1 显示了设计师可以使用的各种封装选项。

图 1:封装选项

2.5D 封装采用 RRL 扇出技术,由于其能够桥接 2D 技术的低成本和硅中介层的密度,因此成为一种有吸引力的选择。许多代工厂以及传统的外包半导体组装和测试 (OSAT) 提供商都可提供 RDL 扇出,从而提高了可及性,并可能进一步降低成本。

用于诸如数据中心、人工智能 (AI) 训练或推理、服务器和网络等高性能计算 (HPC) 应用的高端 multi-die SoC,为了使用并行 die-to-die 接口,都充分利用了 2.5D 封装技术的密度和 RDL 扇出优势。

为何使用并行 die-to-die 接口?

并行 die-to-die 接口基本上都包含了大量的(上千个)IO 引脚,来驱动跨晶粒的单端信号。由于每个引脚的数据速率仅为几个 G 字节/秒 (Gbps)(8 至 16 Gbps),且晶粒之"间的距离仅为几毫米(3 至 5 毫米),因此驱动器和接收器都可以简化,同时实现远低于 1e-22 至 1e-24 的系统误码率 (BER)。不需要额外的纠错机制,例如前向纠错 (FEC) 和重试,系统 BER 就可以满足要求,从而避免增加链路复杂性和延迟。

通过简化 IO、消除串并转换 (SerDes) 步骤,并避免超高速信号传输,并行 die-to-die 接口能够实现极高的能效和较低的延迟,同时支持整个链路的极高吞吐量。因此,并行 die-to-die 接口对于不受封装成本和装配限制的高性能计算应用 SoC 非常有吸引力。

Die-to-Die 接口标准

行业已为并行 die-to-die 接口部署了许多专有架构。然而,multi-die SoC 市场旨在开发一个稳健的生态系统,使得不同供应商开发的、实现不同功能的晶粒(即小芯片)可以互操作。

因此,行业正在制定标准,为先进封装(硅中介层、硅桥或 RDL 扇出)中的并行 die-to-die 接口提供不同的特性。表 1 显示了主要特性的比较。

标准

数据速率 [Gbps]

Bump 区[um]

功率效率&苍产蝉辫;

[pJ/bit]

边缘密度 [Tbps/mm]

面积密度 [Tbps/mm2]

FOM-1 [Tbps/mm / pJ/bit]

越大越好

FOM-2   [pJ/bit / mm]

越小越好 

AIB 2.0

6.4

55

0.5

1.64

-

3.28

0.1

OpenHBI 1.0

8

40

0.4

2.29

2.04

5.71

0.1

OpenHBI 2.0

12~16

40

0.5

3.34

3.06

6.86

0.06

BoW – 基本

8

40

0.5

1.78

1.07

3.56

0.1

表 1:先进封装的并行 die-to-die 接口标准(来自 年 11 月)

类似版本的标准支持有机基材,可实现物理层或封装类型的系统设计抽象,如表 2 所示。然而,用于先进封装的凸块间距要大得多,封装路由密度要高得多,从而以相似或更好的能效实现更佳的外形尺寸和边缘效率。对于那些需要极高的 die-to-die 数据吞吐量的 HPC 和网络应用而言,所有这些都是关键指标。

标准

支持有机基材的版本

BoW

BoW-快速,BoW-基本 (C4)

OpenHBI

OpenHBI-L

AIB

AIB 2.1(层压)

表格 2:支持有机基材封装的并行 die-to-die PHY 标准的版本

OpenHBI 已成为提供最高边缘密度的标准,非常适用于必须在两个晶粒之"间传输极高带宽的应用。

什么是 OpenHBI?

OpenHBI 利用 JEDEC 的 HBM3 电气特性和 IO 类型来降低风险。它使用低电压和未端接的单端 DDR 信号来传输晶粒之"间的数据。

OpenHBI 标准具有许多关键特征:

  • 整合多个 OpenHBI 兼容 的 die-to-die 接口,实现互操作性
  • 利用 JEDEC HBM3 IO 类型和电气特性
    • 可与支持 HBM 存储器和 OpenHBI 标准的双模 HBM 主机控制器互操作
  • 支持硅中介层和晶圆级集成扇出或同等技术
  • 实现对称 die-to-die 接口
  • 实现目标速度:每引脚 8Gbps,正迈向 12-16 Gbps
  • 在最高数据传输速率时提供长达 3mm 的互连距离
  • 实现小于等于 0.5pJ/bit 的功耗目标
  • 提供大于 1.5T 位/毫米(包括发射器和接收器)的线性(边缘)带宽密度
  • 定义 PHY 和逻辑 PHY 抽象层,轻松适配上层
  • 支持正常的和旋转的晶粒方向
  • 可以调整带宽和边缘(DW 数量)以匹配各种用例
  • 支持小芯片 (Chiplet) 配置和测试 (CCT) 接口
  • 支持通道修复,提高制造良率

OpenHBI 标准主要针对图 2 所示的下层(PHY 和逻辑 PHY 层)。然后将适配器层用于与上层(协议层)进行连接。因此,系统实现不依赖于各个应用所用的协议。

图 2:OpenHBI 接口逻辑划分

图 2:OpenHBI 接口逻辑划分

PHY 层执行下列功能:

  • 提供时钟
  • 变速器(数据速率转换 N:1)
  • 校准和训练
  • 通道修复
  • 数据传输和恢复

如果需要,逻辑 PHY 层将执行以下功能:

  • 奇偶校验生成和校验
  • 数据成帧和对齐
  • 数据总线反向
  • 位重新排序

图 3 阐述了可能的 OpenHBI PHY 实现方案,其中可以将不同的功能分割到不同的实现中。

图 3:OpenHBI PHY IP 模块图

OpenHBI PHY 使用与 HBM3 类似的基于 DWORD 的数据路径组织。每个 DWORD 由 42 个数据信号和附加信号加上 2 个冗余通道(用于通道测试和修复)和差分前向时钟组成,如表 3 所示。

符号

描述

TX 侧

RX 侧

D<41:0>

数据

输出

输入

WDQS p/m

TX 前向时钟(差分)

输出

-

RDQS p/m

RX 前向时钟(差分)

-

输入

RD<1:0>

冗余通道

输出

输入

表 3:DWORD 信号描述

数据信号是输出还是输入取决于 DWORD 的操作方向 - 发送还是接收。其中一些数据引脚有 OpenHBI PHY 专门用途,例如数据总线反向 (DBI)(一种节能和降噪功能)、奇偶校验(一种简单的错误检测功能)和成帧(一种数据对齐功能)。OpenHBI 独立支持每项服务,如表 4 所示。如果未使用服务,则上层可以复用不用的引脚进行数据传输。

全部

DBI

帧 + 奇偶校验

成帧

旁路

模式

0

1

2

3

4

载荷

36

38

40

41

42

DBI

4

4

0

0

0

奇偶校验

1

0

1

0

0

成帧

1

0

1

1

0

表格 4:OpenHBI 载荷与服务启用

DWORD 还管理其自身引脚的训练、测试和修复程序。

PHY 使用时钟转发技术,其中传输时钟和数据也在晶粒之"间传输。接收端基于 DLL 的简单数据恢复电路,可节省功耗和面积。

除了有效载荷数据路径外,PHY 还实现低速 CCT,可供锚芯片和小芯片用于传达配置和状态参数以及控制 DWORD 初始化、校准和测试过程。OpenHBI PHY 实现 I3C、JTAG 和供应商自定义信号。

此外,CCT 将参考时钟从锚芯片传播到小芯片晶粒,以便它们共享相同的时钟参考。

OpenHBI PHY 的其他主要功能包括:

  • 带有 APB/TDR 接口的配置端口,用于访问内部控制和状态寄存器 (CSR)
  • 可配置 PHY,支持多种 DWORD 数量,以适应具体用例
  • 裸片测试(已知良好晶粒)和封装后测试的综合可测试性,包括关键模块 BIST、各种环回模式、模式生成和匹配能力,以及生成重建的眼图,作为 pass/fail 测试。如图 4 所示

图 4:使用 Synopsys HBI+ PHY 的 Die-to-Die 链路的眼图

结语

设计师有多种 Die-to-Die 接口选择来满足其设计需求。基于 SerDes 的或并行的 Die-to-Die 接口都有其独特的优势,如数据速率、引脚数量和成本。设计师还必须从多种 muiti-die 封装技术中做出选择,如 2D、2.5D、3D 或前面几种的组合。对于那些对封装成本和复杂度不敏感的高性能计算 SoC,并行 Die-to-Die 接口已成为首选技术。为了让不同的供应商开发的 Multi-Die SoC 实现互操作,业界正着力于建立 Multi-Die 的互连标准,以维护一个成功的生态系统。其中一个标准是 OpenHBI,可达到每引脚 8Gbps 的速度,在最大的数据速率下可以达到 3mm 的最大互连长度,并实现小于或等于 0.5pJ/bit 的功耗目标。

Synopsys 可提供一系列 Die-to-Die IP,包括高带宽互联 (HBI) 和基于 SerDes 的 PHY 和控制器。DesignWare? HBI PHY IP 支持多种标准,包括 AIB、BoW 和 OpenHBI。