摘要：
技术主题：芯粒（Chiplet）设计中的信号完整性（Signal Integrity, SI）与电源完整性（Power Integrity, PI）。

核心挑战：物理微缩极限、热电耦合、高速传输损耗、高密互连 。

深入理解芯粒架构下的信号完整性

信号完整性衡量的是电信号在系统各器件间传输过程中的质量水平。对于集成电路封装与PCB设计而言，维持信号完整性意味着要确保信号在传输过程中不会因噪声、反射、串扰以及介质损耗等因素而发生劣化。

芯粒技术的出现让这一问题变得更为复杂。在传统单片芯片（Monolithic Chips）架构中，所有功能模块都集成在同一块裸片上；而芯粒则是将多个独立制造、尺寸更小的功能模块通过先进封装技术互联成一个高度集成的系统。这种模块化设计虽然大幅提升了系统的可扩展性与灵活性，但也引入了全新的信号完整性难题——即便是信号质量出现极其微小的偏差，都有可能影响整体性能、增加功耗并降低系统可靠性。因此，优秀的信号完整性设计不仅是高性能的保障，更是芯粒方案可靠性与能效比的关键基石。

图 1：UCIe 测试封装，芯粒间带有三个不同长度的链路

芯粒设计面临的五大信号完整性挑战

●  热耦合与电耦合效应：由于芯粒具有高度集成的特性，各器件之间的热耦合与电耦合相互作用成为维持电源和信号完整性时必须重点考量的因素。

●  高速数据传输需求：随着现代应用场景（如AI工作负载、高带宽数据中心运营）的复杂度不断提升，系统需要支持更快的数据传输速率。在更高的工作频率下，信号传输路径中的损耗与反射现象会变得更加显著。

●  高密度互连带来的干扰：为了优化整体性能，芯粒之间的互连线路必须紧密排列，这就增加了串扰（Crosstalk，即相邻线路间的电磁干扰）的风险。

●  复杂封装带来的设计难度：芯粒通常需要采用2.5D或3D集成等先进封装技术，其空间布局更为紧凑，复杂的垂直互连结构进一步放大了信号劣化的风险。

●  电源分配网络的噪声问题：为芯粒设计的复杂电源分配网络（PDN）可能将噪声引入系统，进而影响信号完整性和电源完整性。确保电源分配路径具有低阻抗特性，对于规避干扰至关重要。

应对信号完整性挑战的专业工具

要有效应对上述挑战，需要具备全面信号完整性分析能力的先进技术与工具。因此，工程师们通常会采用业界领先的解决方案，例如Cadence的Sigrity X与Clarity 3D Solver平台。

→  Sigrity X

Cadence Sigrity X信号完整性分析技术为信号和电源完整性挑战提供了一套集成化的强大解决方案，具备以下核心功能：

●  端到端信号与电源完整性（SI/PI）分析：支持在PCB和集成电路封装设计中开展细致、兼顾电源影响的信号完整性与PDN分析。该功能有助于及早识别潜在问题，确保成本、性能与可靠性目标的达成。

●  高级同步互连建模：有助于模拟信号路径并优化阻抗特性，从而减少反射与损耗，即便是芯粒设计中常见的密集排列互连也能应对。

●  串扰分析：通过评估并缓解高密度互连中的串扰问题，将干扰风险降至最低水平。

图 2：Cadence UCIe-Link [IP + 封装] 芯粒间验证平台用于关联 Sigrity X 信号完整性仿真结果

→  Clarity 3D Solver

Cadence Clarity 3D Solver专注于高保真分析，为芯片、封装和PCB提供三维电磁参数提取能力，是对Sigrity X SI/PI方案的重要补充。其主要优势包括：

●  能够分析层叠封装（PoP）或2.5D/3D设计中的耦合效应、热问题以及电磁场行为。

●  Clarity 3D Solver与Cadence设计生态系统实现无缝集成，使团队能够在统一高效的协作环境中开展工作。该工具从宏观与微观两个层面解决信号相关问题，助力团队在紧迫的项目周期内交付高性能设计方案。

提升芯粒信号完整性的五大最佳实践

除了借助专业工具外，遵循行业最佳实践同样有助于改善信号完整性。以下是可供参考的操作要点：

●  采用兼顾电源影响的设计方法：运用兼顾电源影响的信号完整性分析来考量同时开关噪声（SSN），并确保电源分配网络（PDN）的稳健性与可靠性。

●  优化互连阻抗匹配：在整个信号传输路径中保持受控阻抗特性，以减少反射现象并尽可能降低信号损耗。

●  严格把控精细布局布线：遵循PCB布局的最佳实践，例如缩短走线长度、合理运用去耦电容，以及将敏感走线与强干扰信号隔离开来，从而降低串扰并最小化噪声传播。

●  尽早且频繁地开展仿真验证：将SI/PI仿真工作前置到架构设计初期，并在每个迭代阶段进行频繁验证，实现低成本的问题发现与修正。

●  采用先进封装技术：运用扇出型晶圆级封装（FOWLP）以及严格控制设计参数的中介层等解决方案，有助于确保电气性能与热稳定性。

信号完整性设计带来的竞争优势

芯粒架构下的信号完整性不仅是一项技术挑战，更是一个重要的发展机遇。主动管理好这些复杂性因素，能够显著提升系统的性能与可扩展性，同时加快产品的上市速度。Cadence Sigrity X与Clarity 3D Solver解决方案能够从容应对芯粒设计中的复杂挑战，同时确保设计的稳健性与可靠性。

图 3：Cadence UCIe-Link [IP + 封装] 芯粒间信号传输质量演示

结语

随着芯粒技术在高性能计算、AI加速、网络通信等领域的广泛应用，信号完整性与电源完整性设计已成为决定产品成败的关键因素。面对热电耦合、高速传输损耗、高密度串扰等多重挑战，选择专业的EDA分析工具是保障设计质量、缩短研发周期的必然选择。

Cadence Sigrity X与Clarity 3D Solver作为业界领先的信号完整性解决方案，能够为您的芯粒设计提供从端到端SI/PI分析到三维电磁仿真的全流程支持。如果您正在开展芯粒相关的设计项目，或希望了解更多关于信号完整性分析的技术细节与方案报价，欢迎随时联系我们进行咨询与产品试用。我们的专业技术团队将为您提供一对一的技术支持与定制化解决方案，助力您的芯粒设计项目取得成功。

文章素材来源于Cadence