為摩爾定律“續(xù)命” 小芯片普及面臨挑戰(zhàn)

AMD新推出的CPU憑借小芯片的設計以及先進的制程獲得了巨大成功，Intel也發(fā)布了采用3D封裝的CPU。不過，目前小芯片只為少數(shù)公司提供了競爭優(yōu)勢，這一為摩爾定律“續(xù)命”的技術想要普及，面臨技術方面的挑戰(zhàn)，包括標準、良率、功耗、散熱、工具、測試等挑戰(zhàn)，同時還面臨著生態(tài)和制造的挑戰(zhàn)。

沒有人能準確判斷小芯片普及的時間，但可以肯定的是這將是一個緩慢的過程。

小芯片(Chiplets，也譯為芯粒)是一項引人注目的技術，但到目前為止，采用小芯片技術的產品不多，參與者也不多。

在繼續(xù)研發(fā)新工藝節(jié)點的同時，出于物理極限或成本原因，晶體管的進一步微縮即將結束。許多行業(yè)對晶體管數(shù)量的需求高于最新工藝節(jié)點所能提供的數(shù)量。同時，由于不能在不影響良品率的前提下增大裸片，3nm芯片的開發(fā)成本只有少數(shù)人可以負擔。

對于芯片需求量沒有上百萬的細分行業(yè)，先進節(jié)點的成本難以負擔，而小芯片提供了合理的解決方案。

芯片封裝并不新鮮。Cadence IC封裝和跨平臺解決方案產品主管John Park說：“人們希望簡化芯片設計，或者使其比PCB小，或者消耗更少功耗。將單個裸片封裝，然后放置在單個襯底上，通常是層壓材料，有時是陶瓷。這樣可以構建體積更小，功耗更低的PCB，我們稱其為多芯片模塊(MCM)或系統(tǒng)級封裝(SiP)，這種技術自80年代末就被采用。”

行業(yè)中經常使用一些術語，這些術語常常使問題變得混亂。“ SiP可以簡單地定義為將兩個或多個ASIC組件集成到一個封裝中。”西門子EDA高級封裝解決方案總監(jiān)Tony Mastroianni說，“實現(xiàn)SiP的方法很多，包括MCM、2.5D封裝和3D封裝技術。MCM的方法集成并互連在封裝基板上的多個標準ASIC組件。2.5D封裝的方法集成硅或有機中介層上的ASIC組件，包括通過中介層在兩個或多個裸片之間的裸片到裸片連接。3D封裝的方法允許ASIC組件在Z軸維度上堆疊和互連。”

那么，這是偏離摩爾定律還是對摩爾定律的擴展?英特爾可編程解決方案事業(yè)部首席技術官Jose Alvarez(何塞·阿爾瓦雷斯)說：“即使在今天，我們仍在遵循戈登摩爾的建議。1965年，戈登摩爾寫了一篇非常短的論文，共四頁，內容正是如今的摩爾定律。他在第三頁上寫道：‘事實證明，使用較小的功能模塊(分別封裝和互連)構建大型系統(tǒng)會更經濟。’我們今天擁有的先進封裝技術，因此，從某種意義上講，這是戈登要求我們做的事情的延續(xù)。”

小芯片的不同之處在于，它們是為集成在同一個封裝內而專門設計。DARPA通過CHIPS項目開始了這一計劃，因為國防工業(yè)的芯片需求總量較小，無法負擔5納米設計的一次性工程費用。他們關于小芯片的概念是物理IP模塊，封裝在一起。

CHIPS聯(lián)盟執(zhí)行總監(jiān)Rob Mains表示：“ DARPA選擇了正確的方向，這對于全球范圍內的設計團隊都有意義。大家需要了解收益，行業(yè)需要提供一定水平的技術，以確保小芯片產生有效的結果。”

Ansys產品營銷總監(jiān)Marc Swinnen表示同意。“這是一個合理的技術想法，有些組織正在努力實現(xiàn)這一目標。像ODSA這樣的小組擁有多個小組委員會，致力于使小芯片達到標準化程度，使商業(yè)市場能夠參與。”

關鍵是標準。“這個一個不斷演進的生態(tài)系統(tǒng)。”Synopsys高速SerDes的高級產品經理Manmeet Walia說：“這個生態(tài)系統(tǒng)十分分散，這一概念最初被提出是因為成本問題，由DARPA提出，但這并不是市場發(fā)展的動力。其中的一個關鍵是物理原因，裸片已經足夠大。想要進一步提升計算能力，需要更多裸片。”

細分市場的驅動力都與計算相關。Synopsys產品營銷總監(jiān)肯尼斯·拉森(Kenneth Larsen)說：“關鍵的推動力實際上是高性能計算。這就是基于小芯片的設計正在增長的地方。不過，今天的小芯片并沒有標準。”

看到芯片你就可以發(fā)現(xiàn)這種方式已經成功。“我看了一下英特爾新芯片的圖，結果發(fā)現(xiàn)有八個可以稱為小芯片的計算區(qū)塊，中間還有一些包含緩存和互連區(qū)塊的條帶。” Arteris IP系統(tǒng)架構師邁克爾·弗蘭克(Michael Frank)說 “它們都在硅襯底上。但是這種范例必須建立在標準之上，涵蓋電氣特性、通信、物理屬性等。不可能為每個公司構建不同的小芯片。無論如何，它仍然是芯片，必須按照常規(guī)步驟進行流片。”

如果上述問題可以解決，該技術將適用于許多其他領域。Synopsys的Larsen說：“某些設計的某些部分可能適用較舊的節(jié)點，而某些則適用較新的節(jié)點。”小芯片的部分價值將來自能夠以最佳技術設計IP。或者，可以在保持接口不變來提升PPA，或者通過改變部分設計降低整個產品的成本，同時將另一部分遷移到更新的節(jié)點上，從而提高計算密度。

隨著連接設備的普及，5G芯片可能成為推動者。CHIPS Alliance的主管說：“我相信這將為較小的公司(尤其是物聯(lián)網設備)創(chuàng)造機會。如果是一家初創(chuàng)公司，可以將創(chuàng)新技術與某種類型的5G小芯片相結合，并將它們封裝在一起。”

小芯片的行業(yè)現(xiàn)狀

小芯片行業(yè)目前的情況如何?Synopsys的Walia說：“在大多數(shù)情況下，擁有小芯片的公司不在乎行業(yè)標準。Nvidia有他們的NVLink，AMD有他們的Infinity結構，高通有Qlink，英特爾有AIB。他們都提出了自己的專有接口標準。隨著生態(tài)系統(tǒng)的不斷發(fā)展，對標準的需求也不斷提高。”

當然，標準也不是全部。Cadence的Park說：“最大的問題在于小芯片的商業(yè)化。我們已經有了硬核和軟核IP，小芯片是第三種選擇。芯片設計者將能夠購買該硬核IP并將其放在中介層上，層壓或堆疊，或任何操作。”

“封裝技術與此獨立。小芯片的可行性更多地與邏輯分區(qū)有關。缺少的部分是提供IP的公司。他們會轉變?yōu)檫@種業(yè)務模型，并將構建的東西并存儲在倉庫中嗎?答案可能是否定的。誰將提供倉庫來存儲所有這些小芯片，誰將制造它們，誰將要分發(fā)它們，小芯片的商業(yè)模型的概念尚未建立，這是一個值得討論的成本模型。”

也許小芯片還太過遙遠。“作為IP供應商，我們準備出售用單獨的芯片接口PHY IP。可以預見，我們將來會出售完整的小芯片芯片?？赡苁且粋€PCIe小芯片，一側具有PCIe SerDes，另一側則是裸片對裸片(D2D)的PHY，也有可能有一個控制器。” Cadence IP集團產品營銷總監(jiān)Wendy Wu說.

“今天，我們將這些IP作為單獨的產品使用，但是我們一直在尋求將它們整合在一起，作為小芯片的統(tǒng)一設計?，F(xiàn)在還不能制造這樣的芯片，因為如今都是制造標準化的產品。如果想要有制造小芯片的供應鏈，需要這個市場足夠大。”

小芯片的挑戰(zhàn)可以分開來看。“小芯片設計標準化的挑戰(zhàn)可以總結為功能、元件封裝、和簽核。”Arm研究員兼技術總監(jiān)Rob Aitken說。根據(jù)Aitken的細分，如下：

功能性小芯片與整個系統(tǒng)架構的關系很重要。Aitken說。“不同的小芯片是否可以替代(就像它們在內存中一樣)，或者它們執(zhí)行相似的任務，但是具有不同的軟件接口、時鐘頻率、電源、散熱等?”無論哪種情況，明確的規(guī)格、模型和驗證對于成功開發(fā)小芯片和包括它們的3D封裝組件都至關重要。

元件封裝 HBM標準規(guī)定了引腳和功能的特定布置。標準化的邏輯小芯片將需要相同的東西，通過與連接點關聯(lián)的協(xié)議從物理層定義。硬核IP模型面臨的挑戰(zhàn)(長寬比、引腳位置、測試等)在小芯片中也類似。即使小芯片允許跨區(qū)域連接，beachfront”(bits per second per millimeter along the die edge)對于接口性能仍然很重要，因為小芯片的布局方式很可能會被確定。盡管支持3D封裝的協(xié)議和引腳標準，但還沒有完整的邏輯芯片封裝標準。

簽核盡管已經進行，并且將繼續(xù)進行許多工作來減少小芯片在流片過程中的復雜性，但尚未達成普遍認可的解決方案，包括如何最好地劃分功能和成品良率。以及不同供應商之間的小芯片集成在一起的功耗、散熱等問題。

解決其中一些問題的唯一方法設計小芯片，并找出具體問題在哪里。英特爾的阿爾瓦雷斯(Alvarez)說：“小芯片目前在商業(yè)上是可行的，即使芯片是來不不同的供應商。AIB接口的標準化對于開啟這個新興的生態(tài)系統(tǒng)至關重要。它尚未發(fā)展起來，但正朝著正確的方向發(fā)展。”

Alvarez補充說：“這個想法實際上是比當今制造芯片的方法更加敏捷和靈活的方式，這也是DARPA對此感興趣的原因。如今既有正在開發(fā)中，也有正在流片，還有正在生產，也有已經在使用的小芯片。但它們采用不同的技術，來自不同的代工廠，因此對于這個生態(tài)系統(tǒng)，我們真正擁有的想法是：與技術和代工廠無關。”

小芯片何時普及?

新生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展提出了雞和雞蛋的問題。首先是，是設計者將不同的IP集成到設計中，還是由系統(tǒng)公司來進行?Park說：“這將是一個緩慢的發(fā)展過程。隨著摩爾定律定接近物理極限，人們什么時候會完全放棄單片SoC的概念而轉向多芯片設計?”

也許中間步驟是合乎邏輯的。Ansys的Swinnen說：“沒有人能確切知道，一種可靠的情況是，最初的小芯片系統(tǒng)將使用標準裸片構建。嚴格來說，它們不會被視為小芯片，但它們的構建方式就像我們所說的小芯片一樣，裸芯片通過緊密的連接層直接連接。如果有這樣的系統(tǒng)，并且它變得主流，那么就可以看到它被重新設計為小芯片。”

“這種設計減少了I/O驅動，并增加了互聯(lián)帶寬。它將是一個混合系統(tǒng)，因此其它芯片仍是標準版本，但上面至少有一個小芯片。”

為了發(fā)展生態(tài)，市場必須足夠大。Wu說：“諸如HBM內存這樣有足夠大的市場，并且需求是統(tǒng)一的。”人們正在談論完整的封裝光學器件。光學小芯片可能有一個應用，一個標準接口的XSR試圖定義光接口。那是一個有很大市場的應用。它肯定會演變成開放市場的商業(yè)模式。”

結論

通過專有系統(tǒng)，證明了小芯片的可行性和價值。但接下來的問題更棘手，因為需要解決技術和商業(yè)問題。從目前的情況看，產業(yè)界、政府和標準制定機構都將迎接挑戰(zhàn)，因為這成為將摩爾定律擴展到未來的方式。

實際上，整個行業(yè)都需要小芯片，即使今天它只為少數(shù)人提供了競爭優(yōu)勢

關鍵詞： 摩爾定律 芯片 AMD