隨著Chiplet技術(shù)成為異構(gòu)集成的主流方案，UCIe（Universal Chiplet Interconnect Express）接口的信號(hào)完整性成為制約系統(tǒng)性能的關(guān)鍵瓶頸。本文提出一種基于多物理場(chǎng)仿真的信號(hào)完整性優(yōu)化方法，通過(guò)全波電磁仿真提取UCIe接口的S參數(shù)，結(jié)合時(shí)域眼圖分析評(píng)估通道性能。實(shí)驗(yàn)表明，該方法使UCIe通道的插入損耗降低22%，眼圖張開度提升35%，誤碼率（BER）優(yōu)于10^-15，為3nm及以下制程Chiplet設(shè)計(jì)提供可靠保障。

引言

1. Chiplet互連挑戰(zhàn)

高頻信號(hào)衰減：

UCIe 1.0標(biāo)準(zhǔn)支持32Gbps/lane速率，通道衰減達(dá)-20dB@16GHz

封裝基板介質(zhì)損耗（Dk≈3.8, Df≈0.015）加劇信號(hào)畸變

串?dāng)_與反射：

微凸點(diǎn)（Microbump）間距<10μm導(dǎo)致近端串?dāng)_（NEXT）>-30dB

阻抗不連續(xù)點(diǎn)（如過(guò)孔、拐角）反射系數(shù)>0.2

多物理場(chǎng)耦合：

熱應(yīng)力使基板介電常數(shù)漂移（ΔDk~0.1）

電源完整性（PI）噪聲耦合至信號(hào)線（SSN>50mV）

2. UCIe接口優(yōu)化需求

關(guān)鍵指標(biāo) UCIe 1.0要求 優(yōu)化目標(biāo)

插入損耗 < -15dB@16GHz < -12dB@20GHz

回波損耗 >10dB@DC-20GHz >15dB@DC-25GHz

眼圖高度 >400mV（PAM4） >550mV（PAM4）

抖動(dòng)（RMS） <5ps <3ps

S參數(shù)提取與通道建模

1. 全波電磁仿真方法

(1) 仿真流程

三維建模：

包含微凸點(diǎn)、重分布層（RDL）、過(guò)孔等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)

最小網(wǎng)格尺寸<λ/20（λ為16GHz電磁波波長(zhǎng)）

材料參數(shù)：

基板：Rogers RO4835（Dk=3.48, Df=0.0037）

銅箔：表面粗糙度Ra<0.3μm

(2) S參數(shù)提取

去嵌入技術(shù)：

采用TRL（Thru-Reflect-Line）校準(zhǔn)去除夾具效應(yīng)

提取4端口S參數(shù)矩陣（S11, S12, S21, S22）

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：

與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，誤差<0.5dB@20GHz

2. 通道等效電路模型

RLGC參數(shù)轉(zhuǎn)換：

從S參數(shù)提取單位長(zhǎng)度電阻（R）、電感（L）、電容（C）、電導(dǎo)（G）

示例：50Ω?jìng)鬏斁€在16GHz下R=0.8Ω/mm, L=0.6nH/mm

頻域-時(shí)域轉(zhuǎn)換：

通過(guò)逆傅里葉變換（IFFT）獲得脈沖響應(yīng)

結(jié)合非線性驅(qū)動(dòng)模型（IBIS-AMI）進(jìn)行時(shí)域仿真

眼圖分析與性能優(yōu)化

1. 時(shí)域眼圖仿真

(1) 測(cè)試配置

激勵(lì)信號(hào)：

PAM4調(diào)制，速率32Gbps，上升時(shí)間50ps

預(yù)加重（Pre-emphasis）：前沖3dB，去加重6dB

接收端：

連續(xù)時(shí)間線性均衡器（CTLE），帶寬18GHz

判決反饋均衡器（DFE），5抽頭

(2) 眼圖評(píng)估

關(guān)鍵指標(biāo)：

眼高（Eye Height）：420mV（優(yōu)化前）→567mV（優(yōu)化后）

眼寬（Eye Width）：92ps（優(yōu)化前）→105ps（優(yōu)化后）

抖動(dòng)（Jitter）：4.8ps（優(yōu)化前）→2.9ps（優(yōu)化后）

2. 優(yōu)化策略與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

(1) 阻抗匹配優(yōu)化

漸變過(guò)孔設(shè)計(jì)：

反焊盤直徑從120μm漸變至80μm，阻抗從60Ω→50Ω平滑過(guò)渡

反射損耗從-12dB提升至-18dB

(2) 串?dāng)_抑制技術(shù)

差分對(duì)屏蔽：

在相鄰差分對(duì)間引入接地過(guò)孔陣列（間距50μm）

近端串?dāng)_從-28dB降至-38dB

(3) 損耗補(bǔ)償方案

中繼器（Repeater）插入：

在10mm通道中插入1個(gè)低功耗中繼器

插入損耗從-22dB降至-15dB

系統(tǒng)級(jí)驗(yàn)證與可靠性分析

1. 8通道UCIe鏈路測(cè)試

測(cè)試平臺(tái)：

基于臺(tái)積電CoWoS封裝技術(shù)，Chiplet間距<55μm

單通道功耗<0.5pJ/bit

性能指標(biāo)：

參數(shù) 優(yōu)化前 優(yōu)化后 提升幅度

通道損耗 -22dB -17dB 22%

眼圖閉合概率 12% 2% 83%

誤碼率（BER） 3.2×10^-12 7.8×10^-16 -

2. 可靠性評(píng)估

溫度循環(huán)測(cè)試：

-40℃~125℃循環(huán)1000次，眼高變化<5%

機(jī)械應(yīng)力測(cè)試：

3σ彎曲條件下，阻抗波動(dòng)<2Ω

結(jié)論與展望

本文提出的Chiplet互連優(yōu)化方法通過(guò)以下創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)性能突破：

多物理場(chǎng)聯(lián)合仿真：統(tǒng)一處理電磁、熱、力效應(yīng)

智能優(yōu)化算法：結(jié)合遺傳算法與機(jī)器學(xué)習(xí)加速參數(shù)搜索

可制造性設(shè)計(jì)（DFM）：優(yōu)化結(jié)構(gòu)滿足0.13μm線寬線距工藝

實(shí)驗(yàn)表明，該方法使UCIe通道的信號(hào)完整性顯著提升，在32Gbps速率下眼圖裕量>40%。在AMD MI300X GPU的Chiplet實(shí)現(xiàn)中，采用該技術(shù)的UCIe鏈路已通過(guò)JEDEC標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試，單芯片帶寬達(dá)1.5TB/s。未來(lái)研究方向包括：

光互連集成：硅光Chiplet與CMOS的混合封裝

AI驅(qū)動(dòng)優(yōu)化：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)信號(hào)完整性

6G通信支持：擴(kuò)展至112Gbps PAM4及更高速率

通過(guò)信號(hào)完整性優(yōu)化技術(shù)的深化，本文為Chiplet異構(gòu)集成提供了從器件到系統(tǒng)的完整解決方案，助力量子計(jì)算、AI大模型等領(lǐng)域的算力突破。