一种硅片级系统、其修复方法及电子设备与流程

本技术涉及半导体，尤其涉及一种硅片级系统、其修复方法及电子设备。

背景技术：

1、高性能计算和人工智能的应用中，大规模计算任务需要大量的处理器进行并行运算，例如中央处理器(central processing unit，cpu)、图像处理器(graphics processingunit，gpu)或神经网络处理器(neural network processing unit，npu)等。在多个处理器的并行运算过程中，处理器之间需要进行大量的数据交换，同时，对于大规模计算任务，处理器与存储器之间存在大量的数据存取。当前，单个处理器和存储器一般为单独封装，处理器之间或处理器与存储器之间的通信需要经过较长的连线，这种较长的连线会导致通信的带宽受限和延迟较大，成为大规模计算任务的瓶颈。

2、为了提高处理器之间的带宽和处理器能够访问的存储器容量，提出了多种基于三维(3d)异构集成的硅片级/晶圆级系统和封装方案。

技术实现思路

1、本技术提供的一种硅片级系统、其修复方法及电子设备，用以提高处理器之间的带宽和处理器能够访问的存储器容量。

2、第一方面，本技术提供了一种硅片级系统，包括：依次堆叠的处理器层、光互联层和存储器层。其中，处理器层可以包括多个处理器芯片，处理器芯片可以集成一个或多个处理器裸片(die)，或者每一个处理器芯片也可以为未切割的晶圆(wafer)，在同一平面的多个处理器芯片构成了一层处理器层。存储器层可以为一层也可以为多层，多层存储器层之间可以通过电互联(例如通过混合键合的方式电连接)，也可以通过光互联(例如在两层存储器层之间增加一层光互联层)，每一层存储器层可以包括多个存储器芯片，每一个存储器芯片可以集成一个或多个存储器裸片，或者每一个存储器芯片也可以为未切割的晶圆，在同一平面的多个存储器芯片构成了一层存储器层。光互联层可以包括多组光电转换模块和光波导，光互联层中的多组光电转换模块可以独立封装，也可以封装在一个未切割的晶圆上。每一组光电转换模块可以包括光电调制器和光电探测器，光电调制器和光电探测器分别与光波导耦合，即各光电转换模块之间通过光波导相连。各处理器芯片可以与至少一组光电转换模块电连接，各存储器芯片可以与至少一组光电转换模块电连接。光电调制器用于将来自电连接的存储器芯片或处理器芯片的电信号转换为光信号，实现电学数据到光学数据的转换，并将光信号导入光波导中传输。光电调制器具体可以包括多种光电晶体管以及对应的控制电路等器件。光电探测器用于将光波导中传输的光信号转换为电信号，实现光学数据到电学数据的转换，并将电信号传输至电连接的存储器芯片或处理器芯片。光电探测器具体可以包括光电二极管、光电倍增管或光导探测器等将光信号转换为电信号的器件，还可以包括对应的控制电路等。

3、本技术实施例提供的硅片级系统通过在处理器层与存储器层之间增加的光互联层，可以实现处理器层中单个处理器芯片通过光互联层以光信号的方式与存储器层中任意存储器芯片进行通信，并且处理器层中各处理器芯片之间可以通过光互联层以光信号的方式进行数据交换，从而实现处理器层中全部处理器芯片与存储器层中存储器芯片的全部到全部的拓扑连接，能提高处理器芯片之间的带宽，以及提高单个处理器芯片所能访问的存储器容量，提高硅片级系统的计算性能。

4、在本技术一个可能的实现方式中，处理器层和光互联层之间可以通过正面对正面、正面对背面、背面对背面或者背面对正面等混合键的方式进行电连接；同样，光互联层和存储器层之间也可以通过正面对正面、正面对背面、背面对背面或者背面对正面等混合键合的方式进行电连接。

5、具体地，处理器芯片之间通过光信号交换数据的具体方式为：一个处理器芯片输出的电信号经过混合键合后传输至光互联层中电连接的光电转换模块转换为光信号，通过光互联层中的光波导传输至对应处理器芯片电连接的光电转换模块并转换为电信号，通过混合键合将电信号传输至对应处理器芯片，完成处理器芯片之间的数据交换。

6、具体地，处理器芯片与存储器芯片之间通过光信号访问数据的具体方式为：一个处理器芯片输出的电信号经过混合键合后传输至光互联层中电连接的光电转换模块转换为光信号，通过光互联层中的光波导传输至对应存储器芯片电连接的光电转换模块并转换为电信号，通过混合键合将电信号传输至对应存储器芯片，完成处理器芯片与存储器芯片之间的数据访问。

7、在本技术一个可能的实现方式中，多个处理器芯片中的至少一个处理器芯片还可以与垂直堆叠的存储器芯片直接通过光互联层中的硅穿孔电连接，这样，处理器芯片与存储器芯片之间除了通过光信号的方式通信之外，还可以通过电信号的方式通信。具体地，一个处理器芯片可以与一个或多个存储器芯片具有垂直堆叠的关系，一个处理器芯片可以与全部或部分垂直堆叠的存储器芯片之间通过一个或多个硅穿孔电连接，以通过电信号进行通信，或者，一个处理器芯片也可以与垂直堆叠的存储器芯片之间不存在硅穿孔的电连接关系，仅通过光信号进行通信，在此不做限定。

8、在本技术一个可能的实现方式中，在处理器层中，部分邻近的处理器芯片之间可以通过金属互连线电连接，例如多个处理器芯片中包括相邻的第一处理器芯片和第二处理器芯片，第一处理器芯片和第二处理器芯片之间通过金属互连线电连接，这样，邻近的处理器芯片之间除了通过光信号的方式交换数据之外，还可以通过电信号的方式交换数据。具体地，一个处理器芯片可以与一个或多个邻近的处理器芯片通过金属互连线电连接，以通过电信号进行通信，或者，一个处理器芯片也可以与邻近的处理器芯片之间不存在金属互连线的电连接关系，仅通过光信号进行通信，在此不做限定。

9、在本技术一个可能的实现方式中，在存储器层中，部分邻近的存储器芯片之间可以通过金属互连线电连接，例如多个存储器芯片中包括相邻的第一存储器芯片和第二存储器芯片，第一存储器芯片和第二存储器芯片之间通过金属互连线电连接，这样，邻近的存储器芯片之间除了通过光信号的方式交换数据之外，还可以通过电信号的方式交换数据。具体地，一个存储器芯片可以与一个或多个邻近的存储器芯片通过金属互连线电连接，以通过电信号进行通信，或者，一个存储器芯片也可以与邻近的存储器芯片之间不存在金属互连线的电连接关系，仅通过光信号进行通信，在此不做限定。

10、值得注意的是，在本技术中提到的“邻近”指的是之间间距在设定范围内的器件单元(包括存储器芯片和处理器芯片)，这些器件单元可以是相邻(或称为邻接)的关系，也可以是之间间隔设定一个或多个器件单元的关系。例如，以器件单元阵列排布为例，一个器件单元在上下左右共邻接四个器件单元，在对角线共邻接四个器件单元，该器件单元可以与邻接的八个器件单元中的全部或部分通过金属互连线连接。

11、在本技术一个可能的实现方式中，每一组光电转换模块一般仅与一个处理器芯片或一个存储器芯片电连接。一组光电转换模块中的光电调制器可以将从处理器芯片或存储器芯片接收到的电信号调制为某一个波长的光信号，实现电学数据到光学数据的转换，一组光电转换模块中的光电探测器可以将来自其他处理器芯片或其他存储器芯片在光波导上传输的某一波长的光信号转换为电信号，实现光学数据到电学数据的转换，并将该电信号传输至电连接的处理器芯片或存储器芯片上。在本技术另一个实施例中，一组光电转换模块也可以同时与一个处理器芯片和一个存储器芯片通过多路选择器电连接，通过多路选择器的分时选择连接的作用，在某一时刻可以利用多路选择器将光电转换模块与处理器芯片或存储器芯片电连接。

12、在本技术一个可能的实现方式中，为了增大互联带宽，一个处理器芯片可以与多组光电转换模块电连接。具体地，一个处理器芯片电连接的多组光电转换模块具体可以承载单一波长的光信号与电信号之间的转换，即与一个处理器芯片连接的各组光电转换模块中的各光电调制器可以将接收到的多个电信号分别调制为同一波长的光信号，而与一个处理器芯片连接的各组光电转换模块中的各光电探测器可以将接收到的同一波长的光信号分别调制为多个电信号。或者，一个处理器芯片电连接的多组光电转换模块也可以承载多个波长的光信号与电信号之间的转换，即与一个处理器芯片连接的各组光电转换模块中的各光电调制器可以将接收到的多个电信号分别调制为不同波长的光信号，而与一个处理器芯片连接的各组光电转换模块中的各光电探测器可以将接收到的不同波长的光信号分别调制为多个电信号。

13、在本技术一个可能的实现方式中，为了增大互联带宽，一个存储器芯片可以与多组光电转换模块电连接。具体地，一个存储器芯片电连接的多组光电转换模块具体可以承载单一波长的光信号与电信号之间的转换，即与一个存储器芯片连接的各组光电转换模块中的各光电调制器可以将接收到的多个电信号分别调制为同一波长的光信号，而与一个存储器芯片连接的各组光电转换模块中的各光电探测器可以将接收到的同一波长的光信号分别调制为多个电信号。或者，一个存储器芯片电连接的多组光电转换模块也可以承载多个波长的光信号与电信号之间的转换，即与一个存储器芯片连接的各组光电转换模块中的各光电调制器可以将接收到的多个电信号分别调制为不同波长的光信号，而与一个存储器芯片连接的各组光电转换模块中的各光电探测器可以将接收到的不同波长的光信号分别调制为多个电信号。

14、在本技术一个可能的实现方式中，硅片级系统还可以包括：与光电调制器一一对应的第一驱动电路，以及与光电探测器一一对应的第二驱动电路；光电调制器可以通过第一驱动电路与对应的处理器芯片或存储器芯片电连接，第一驱动电路用于驱动光电调制器工作，第一驱动电路也可以称为发射机驱动电路；光电探测器可以通过第二驱动电路与对应的处理器芯片或存储器芯片电连接，第二驱动电路用于驱动光电探测器工作，第二驱动电路也可以称为接收机驱动电路。

15、在本技术一个可能的实现方式中，第一驱动电路和第二驱动电路均可以同时集成于光互联层中。在光互联层中，第一驱动电路与光电调制器之间可以通过金属互连线电连接，第二驱动电路与光电探测器之间可以通过金属互连线电连接，而存储器芯片和处理器芯片可以通过混合键合方式与对应的第一驱动电路和第二驱动电路进行电学互联。

16、在本技术一个可能的实现方式中，为了提高光电转换的速度和性能，可以利用处理器层中形成的高性能晶体管实现第一驱动电路和第二驱动电路。具体地，与处理器芯片电连接的第一驱动电路和第二驱动电路可以均集成于处理器层中，且第一驱动电路和第二驱动电路可以均通过金属互连线与处理器芯片电连接，在处理器层中设置的第一驱动电路和第二驱动电路分别通过混合键合方式与对应的光电探测器和光电调制器进行电学互联。

17、在本技术一个可能的实现方式中，为了提高光电转换的速度和性能，可以利用处理器层中形成的高性能晶体管实现第一驱动电路和第二驱动电路。具体地，与存储器芯片电连接的第一驱动电路和第二驱动电路可以均集成于存储器层中，且第一驱动电路和第二驱动电路均通过金属互连线与存储器芯片电连接，在存储器层中设置的第一驱动电路和第二驱动电路分别通过混合键合方式与对应的光电探测器和光电调制器进行电学互联。

18、在本技术一个可能的实现方式中，为了提高光电转换的速度和性能，可以利用存储器层和处理器层中形成的高性能晶体管实现第一驱动电路和第二驱动电路。具体地，与处理器芯片电连接的第一驱动电路和第二驱动电路可以均集成于处理器层中，且第一驱动电路和第二驱动电路可以均通过金属互连线与处理器芯片电连接，在处理器层中设置的第一驱动电路和第二驱动电路分别通过混合键合方式与对应的光电探测器和光电调制器进行电学互联；同时，与存储器芯片电连接的第一驱动电路和第二驱动电路可以均集成于存储器层中，且第一驱动电路和第二驱动电路均通过金属互连线与存储器芯片电连接，在存储器层中设置的第一驱动电路和第二驱动电路分别通过混合键合方式与对应的光电探测器和光电调制器进行电学互联。

19、在本技术一个可能的实现方式中，为了增大互联带宽和提高光通路的可配置性，光互联层可以包括多条光波导，每一条光波导中可以承载多种波长的光信号，也可以承载单一波长的光信号，在此不做限定。并且，多条光波导可以包括沿着第一方向延伸的第一光波导和沿着第二方向延伸的第二光波导，第一方向和第二方向交叉设置，例如第一光波导可以沿水平方向延伸，第二光波导可以沿竖直方向延伸。为了改变光信号在第一光波导和第二光波导中的传输方向，光互联层中还可以包括设置在第一光波导和第二光波导的交叉位置处的光学开关，光学开关可以控制光信号在第一光波导和第二光波导之间切换传输。

20、在本技术一个可能的实现方式中，光互联层还可以包括至少一组输入输出模块，每一组输入输出模块可以包括光耦合模块和光纤，光耦合模块具体可以采用边沿耦合的方式实现，光纤可以通过光耦合模块与光波导耦合，具体光纤可以与光波导的一端连接，且不同组的输入输出模块可以与光波导的不同端连接，也可以与同一端连接，在此不做限定。例如可以设置一组输入输出模块具体用于对外数据的传输，即利用该组输入输出模块将光波导中传输的光信号数据经过光纤和光耦合模块引出。又如，可以设置另一组输入输出模块具体用于将外部信号输入至光波导中，即可以通过与光耦合模块连接的激光器将外部的光信号传输至光波导中，进而传入光互联层中。

21、在本技术一个可能的实现方式中，硅片级系统还可以包括：位于硅片级系统上侧和/或下侧的供电模块。供电模块一般包括多个电压调节模块，若供电模块设置在硅片级系统的上侧即从存储器层一侧引入供电模块，则各电压调节模块可以通过微凸块或焊锡凸块等与存储器层中的硅穿孔相连，存储器层中硅穿孔的另一端可以通过铜垫或微凸块与光互联层中对应的硅穿孔相连。光互联层与存储器层通过类似的方式进行连接，由此各电压调节模块可以对各存储器芯片、各光电转换模块和各处理器芯片进行供电。

22、在本技术一个可能的实现方式中，硅片级系统还可以包括：位于硅片级系统上侧和/或下侧的散热模块，散热模块具体可以采用冷盘进行散热。并且，在硅片级系统同时存在散热模块和供电模块时，两者一般设置在硅片级系统的不同侧，例如散热模块设置在硅片级系统的下侧，供电模块设置在硅片级系统的上侧，反之亦可。若散热模块和供电模块设置在硅片级系统的同侧(同时设置在下侧或上侧)时，为了保证供电模块与外部电源连接，则需要供电模块设置在最外侧(例如设置在最上侧或最下侧)，供电模块需要通过散热模块中的通孔与存储器层和处理器层电连接。

23、第二方面，本技术还提供了一种电子设备，该电子设置包括电路板和硅片级系统，该硅片级系统为如第一方面或第一方面的各种实施方式的硅片级系统，该硅片级系统与电路板电连接。由于该电子设备解决问题的原理与前述一种硅片级系统相似，因此该电子设备的实施可以参见前述硅片级系统的实施，重复之处不再赘述。

24、第三方面，本技术还提供了一种第一方面或第一方面的各种实施方式的硅片级系统的修复方法，包括：分别对处理器层、存储器层和光互联层进行测试，确定损坏的处理器芯片、损坏的存储器芯片和损坏的光电转换模块；在编译程序时，屏蔽损坏的处理器芯片、损坏的存储器芯片和损坏的光电转换模块。由于本技术实施例提供的硅片级系统采用光互联层作为存储器层和处理器层之间的互联工具，在进行测试时，仅需要屏蔽单个损坏的器件单元(包括处理器芯片、存储器芯片和光电转换模块)，无需考虑器件单元的叠加关系，即可实现修复功能，提高了产品良率。具体地，本技术实施例提供的硅片级系统的修复过程如下：首先，基于存储器层、处理器层和光互联层在测试过程中已知良好的裸片的检测标记信息，编译器在编译过程中屏蔽对损坏的器件单元(损坏的器件单元包括损坏的存储器芯片、损坏的处理器芯片和损坏的光电转换模块)进行映射，并编译出对应的程序；然后，硅片级系统载入编译后的程序；最后，导入输入数据得到输出结果。

25、第二方面和第三方面可以达到的技术效果可以参照上述第一方面中任一可能设计可以达到的技术效果说明，这里不再重复赘述。