⚙️ 2.5 設計上の課題：熱、テスト、タイミング
2.5 Design Challenges: Thermal, Test, and Timing Issues
🔥 熱設計の課題と対策
Thermal Design Issues and Countermeasures
✦ チップレット特有の発熱課題
Thermal Challenges in Chiplet-Based Systems
- 小型チップが局所的に高温化しやすい
Small dies often result in localized hotspots - 3D構造では下層チップの放熱経路が制限される
Lower dies in 3D stacks have limited thermal escape paths - HBM積層で熱密度が上昇しやすい
HBM stacking increases overall thermal density
✦ 熱対策アプローチ
Approaches to Thermal Management
| 🧯 対策手法 / Method | 📘 内容 / Description |
|---|---|
| サーマルビア Thermal Vias |
熱伝導TSVで下部層へ熱拡散 TSVs conduct heat to lower layers |
| 放熱板 Heat Spreader |
メタルスプレッダで外部放熱促進 Metal plate on top for dissipation |
| 負荷分散制御 Workload Distribution |
ホットスポット回避制御 Thermal-aware workload balancing |
| 熱シミュレーション Thermal Simulation |
初期段階からの3D解析が必須 Essential early 3D thermal analysis |
🧪 テストと歩留まりの課題
Testability and Yield Challenges
✦ テストの困難性
Testing Difficulties
- 3D積層内の中間層アクセスが困難
Hard to access mid-layer dies in stacks - μバンプ・ハイブリッド結合の欠陥検出が困難
Fault detection in μ-bumps/hybrid bonding is challenging - ダイ再利用時のテスト最適化が複雑
Test strategy becomes complex with die reuse
✦ 主な対策
Countermeasures
| 🧪 項目 / Item | 🔍 内容 / Description |
|---|---|
| BIST導入 Built-In Self-Test |
各チップ内に自己診断ロジックを実装 Self-test circuits inside each die |
| KGD（Known-Good-Die）活用 | 検査済み良品のみ選別して使用 Use only pre-tested dies |
| TSVモニタリング | 抵抗/断線検出構造を設計段階から組込 Design test structures for TSV integrity |
| デバッグピン Debug Pins |
信号の外部出力ピンで開発効率向上 Expose internal signals for easier debug |
⏱️ タイミングと配線遅延の課題
Timing and Interconnect Delay Challenges
✦ 配線バリエーションの影響
Impact of Interconnect Variation
- チップ間遅延のばらつき（スキュー）
Skew across inter-chip links becomes non-negligible - クロック同期が困難（特に複数ドメイン時）
Clock synchronization becomes harder with multiple dies - ジッタやタイミングマージン不足が顕著
Jitter and reduced timing margin at high frequencies
✦ 解決アプローチ
Solutions and Design Techniques
| 🧭 対策 / Countermeasure | 🧾 内容 / Description |
|---|---|
| クロックドメイン分離 Clock Domain Isolation |
各ダイが独立クロック制御を持つ Each die uses its own clock domain |
| 高速I/F設計 High-Speed I/F Design |
PLL・SERDESなどでジッタ補正 Use PLL and SERDES for tuning |
| タイミングクロージャ Timing Closure |
パッケージSTA解析が必要 Full-package static timing analysis (STA) |
| UCIeなど標準I/F採用 | タイミング統一I/Fで設計負荷軽減 Standardized interface reduces integration effort |
🧩 まとめ｜Summary
チップレット・2.5D・3D実装は柔軟性・性能向上をもたらす一方で、
熱設計・テスト手法・タイミング制御に関する課題と複雑性が伴います。
Chiplet, 2.5D, and 3D integration offer performance benefits, but pose challenges in thermal, test, and timing domains.
➡ 設計段階からのパッケージ×物理設計の共最適化（Co-Design）が不可欠。
➡ Co-design of package and physical layout is critical from early design stages.
📚 特別編 第2章の完了
End of Special Chapter 2
特別編 第2章「チップレットと先端パッケージ技術」はこれで完了です。
This concludes Special Chapter 2: Chiplet and Advanced Packaging Technologies.
次章では、これらの知識を活かしたPoC構築や設計演習へ展開していきます。
In the next chapters, we apply these concepts to design exercises and PoC development.