由于衛(wèi)星和潛艇等系統(tǒng)通常需要在極端環(huán)境中運行，比如外太空和深海，因此航空航天等領域的芯片設計對尺寸、重量和功耗（SWaP）有著極其嚴苛的需求。單片SoC顯然不能滿足需求，因此航空航天等領域的芯片開發(fā)者正在探索3D異構集成（3DHI）設計。

在3DHI芯片設計中，異構裸片集成在多個層級中，裸片間既有垂直互連又有水平互連。開發(fā)者可通過3DHI架構將大型系統(tǒng)壓縮到小型封裝中，降低開發(fā)不同版本的成本，以滿足應用多樣性的要求，進而為相關應用領域帶來更多針對性解決方案、更優(yōu)異的功能密度特性和更理想的SWaP結果。

本文將詳細介紹3DHI在航空航天領域中面臨的挑戰(zhàn)和機遇。

為無人機/飛機等領域提供充足帶寬和優(yōu)越性能

航空航天系統(tǒng)現在也越來越智能化了，通常具有需要高計算密度的自動化和認知處理等功能。以負責執(zhí)行監(jiān)控任務的無人機為例，此類處理過程必須在功耗和重量均有限的小尺寸設備中進行。隨著摩爾定律逐漸放緩，支持這些應用的單片SoC在密度、可擴展性和良率等方面將會達到極限。

3DHI設計能夠將不同制程和材料的裸片進行混合搭配，以滿足各種不同的功能需求，并達到期望的功能密度和性能。為了節(jié)約成本，其實并非每個組件都需要采用先進制程，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相結合。

3D封裝不僅提供了出色的尺寸優(yōu)勢，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等優(yōu)勢，而且能夠使用更小的芯片來提高良率。另外，3DHI方案還支持針對不同的應用領域或設計方案實現高效復用，使設計團隊能夠輕松地將一個用于載人飛機的SoC設計復用到無人機設計中。

在航空航天等領域，3DHI設計的潛力尚未完全挖掘，仍有廣闊的發(fā)展空間。為了實現這一設計理念在此類領域的廣泛應用，我們必須不斷突破技術難關，砥礪前行。接下來我們將深入剖析目前的技術現狀，以及為滿足批量生產的需求，我們應具備哪些條件。

芯片設計研發(fā)機遇層出不窮

航空航天等應用領域目前仍普遍采用單片集成的2D設計方法。但未來的趨勢正在向3D設計轉變，預計在10~20年內，3D設計將成為主流。隨著復雜性和層數的增多，我們預計會出現分解式設計，這些設計將由采用多種工藝和材料類型的裸片組成，并通過密集型互連機制將裸片連接起來。未來的封裝、組裝和測試將根據系統(tǒng)與外界的通信方式和集成特點進行。

如何把大規(guī)模的3DHI設計應用到航空航天領域？從電子設計自動化（EDA）的角度，開發(fā)者們需要克服諸多問題，比如如何克服裸片層之間的交叉耦合效應采用何種連接方式最佳？如何開發(fā)出值得信賴的組件？如何連接不同制程節(jié)點、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。

為了解決這些問題，一個值得考慮的方法是在3DHI組件中集成裸片測試和糾錯功能。這樣可以在系統(tǒng)出廠前主動發(fā)現并解決存在的問題，還能為未來的意外狀況做好準備。

冗余和彈性同樣重要。由于芯片器件通常都存在老化效應，系統(tǒng)中的一些裸片可能會隨著時間的推移而逐漸磨損。為了防止整個系統(tǒng)出現故障，我們需要開發(fā)出能夠在單個區(qū)域發(fā)生故障時進行調整的設計。只有這樣，我們才能確保3DHI設計在航空航天等系統(tǒng)中的穩(wěn)定性和可靠性。

封裝從手動開發(fā)向自動開發(fā)的轉變是一次升級。此外，多個領域都迎來眾多研發(fā)機遇，包括Multi-Die、多技術集成和裝配、用于搭建架構、設計、仿真和測試的工具，以及安全防護、熱管理和電源管理等領域。這些領域都可以通過現代數字孿生技術進行建?！，F在，我們亟需繼續(xù)探索和開發(fā)抽象工具，從而幫助開發(fā)團隊更深入地理解和處理系統(tǒng)的各個層次，做出更明智、更準確的決策。

總結

從雷達設備到飛機、航天器，這些航空航天系統(tǒng)和應用正變得越來越智能。為了滿足對更大算力和更低SWaP的需求，開發(fā)者們必須在傳統(tǒng)單片SoC的基礎上進行創(chuàng)新。于是3DHI設計應運而生，滿足了一系列應用（包括雷達）的核心需求，比如，通過將異構裸片集成在一個封裝中實現高帶寬和小巧外形。要應對3DHI架構帶來的各種關鍵設計挑戰(zhàn)，當前的工具流程和方法有著巨大的調整空間。通過持續(xù)研發(fā)投入，更強大的工具和技術將不斷涌現。在未來十年左右，3DHI設計有望成為航空航天領域的主流技術。