本文转载自雷锋网。如需转载,请在雷锋网官网申请授权。AMD的新CPU凭借其chiplet设计和先进的制造工艺取得了巨大成功,Intel也发布了采用3D封装的CPU。然而,目前,小芯片只为少数公司提供了竞争优势。这种“延续”摩尔定律的技术要想普及,面临着技术上的挑战,包括标准、良率、功耗、散热、工具、测试等方面的挑战,还有生态和制造方面的挑战。没有人能确切地说出小芯片何时会变得无处不在,但可以肯定的是,这将是一个缓慢的过程。小芯片(Chiplet,又译为核心粒子)是一项引人注目的技术,但迄今为止,采用小芯片技术的产品并不多,参与者也不多。在继续开发新工艺节点的同时,由于物理限制或成本原因,晶体管的进一步缩放即将结束。许多行业需要比最新工艺节点所能提供的晶体管数量更多的晶体管。同时,由于无法在不影响良品率的情况下扩大裸芯片,因此只有少数人能够负担得起3nm芯片的开发成本。对于芯片需求量在百万级以下的细分行业,先进节点的成本难以承受,小芯片提供了合理的解决方案。芯片封装并不新鲜。“人们希望简化芯片设计,使其比PCB更小,或者功耗更低,”CadenceIC封装和跨平台解决方案产品总监JohnPark说。“封装单个芯片然后将其放置在单个基板上,通常是层压材料,有时是陶瓷。这允许构建更小、更低功率的PCB,我们称之为多芯片模块(MCM)或系统-封装(SiP),这项技术自80年代末以来一直被采用。”业界使用的术语经常混淆这个问题。“SiP可以简单地定义为将两个或多个ASIC组件集成到一个封装中,”西门子EDA高级封装解决方案总监TonyMastroianni说。SiP的实现方式,包括MCM、2.5D封装和3D封装技术。MCM的方法是在封装基板上集成并互连多个标准ASIC元件。2.5D封装的方法是在硅或有机中介层上集成ASIC元件,包括两个或多个裸片之间的中介层裸片到裸片连接3D封装方法允许ASIC组件在Z轴维度上堆叠和互连。“那么,这是对摩尔定律的背离还是摩尔定律的延伸?”英特尔可编程解决方案事业部首席技术官JoseAlvarez说:“即使在今天,我们仍在遵循戈登摩尔定律。”建议。1965年,戈登·摩尔(GordonMoore)写了一篇很短的四页纸,内容是关于现在的摩尔定律。在第三页,他写道:“事实证明,用较小的功能块(单独封装和互连)构建大型系统更为经济。”’我们今天拥有的先进封装技术,所以从某种意义上说,它是戈登要求我们做的事情的延续。图1:从MCM/SiP迁移到小芯片。资料来源:CadenceChiplets的不同之处在于它们是专门为集成在同一封装中而构建的。DARPA通过CHIPS计划启动了这一举措,因为国防行业的芯片总需求量很小,无法负担5纳米设计的一次性工程成本。他们的小芯片概念是打包在一起的物理IP块。“DARPA选择了正确的方向,”CHIPS联盟执行董事RobMains说,这对全球的设计团队都有意义。你需要了解其中的好处,行业需要提供一定水平的技术来确保chiplets产生有效的结果。Ansys产品营销总监MarcSwinnen对此表示赞同。“这是一个合理的技术想法,一些组织正在努力实现它。”像ODSA这样的团体有多个小组委员会致力于将小芯片提升到能够参与商业市场的标准化水平。“关键是标准。”这是一个不断发展的生态系统。“生态系统非常分散,”Synopsys高速SerDes高级产品经理ManmeetWalia说。关键之一是由于物理原因,裸片已经足够大。为了进一步提高计算能力,需要更多的芯片。“这些细分市场的驱动力都与计算相关。关键驱动力实际上是高性能计算,”Synopsys产品营销总监KennethLarsen说。这就是基于小芯片的设计正在增长的地方。不过,今天的小芯片并不是标准的。“当你看到芯片时,你会发现这种方法奏效了。“我看了一张英特尔新芯片的图表,结果发现有八个计算块,你可以称之为小芯片,中间有一些条纹,包含缓存和互连块。”ArterisIP系统架构师迈克尔·弗兰克(MichaelFrank)表示“它们都在硅基板上。但这种范式必须建立在标准之上,涵盖电气特性、通信、物理特性等,不可能构建不同的小芯片对每个公司来说,反正还是芯片,还是得按常规步骤流片。如果上述问题能够得到解决,该技术将适用于许多其他领域。Synopsys的Larsen表示:“一些设计的某些部分可能适用于较旧的节点,而某些部分适用于较新的节点。”chiplet的部分价值将来自从能够以最佳技术设计IP。或者,可以通过保持接口不变来改进PPA,或者可以通过更改设计的一部分同时将另一部分迁移到更新的节点来降低整个产品的成本增加计算密度。随着连接设备变得无处不在,5G芯片可能成为推动因素。CHIPS联盟的负责人表示:“我相信这将为较小的公司创造机会,尤其是物联网设备。如果是初创公司,可以将创新技术与某种类型的5Gchiplet结合起来,将它们集成封装在一起。Synopsys的Walia说:“拥有小芯片的公司不关心行业标准。”持续增长,对标准的需求也在增长。”当然,标准并不是全部。“最大的问题是chiplet的商业化,”Cadence的Park说,“我们已经有了硬IP和软IP,chiplet是第三种选择。”芯片设计人员将能够购买该硬IP并将其放置在芯片上。“封装技术独立于此。小芯片的生存能力更多是关于逻辑分区。缺少的部分是提供IP的公司。他们会变成这种商业模式,并将构建一些东西并将其存储在仓库中?答案可能是没有。所有这些chiplet的仓库谁来提供,谁来制造,谁来分销,chiplet的商业模式概念还没有建立起来,这是一个值得讨论的成本模型。”或许chiplet离我们太远了。“作为IP供应商,我们将出售带有单独芯片的接口PHYIP。可以预见的是,未来我们会卖一个完整的chiplet芯片。也许是一侧带有PCIeSerDes的PCIe小芯片,另一侧是裸芯片。也可能有一个用于芯片上PHY(D2D)的控制器,”CadenceIPGroup产品营销总监WendyWu说。“今天,我们将这些IP作为单独的产品提供,但我们一直在寻找,作为小型芯片的统一设计。目前还不可能制造这样的芯片,因为它们现在正在制造标准化产品。如果你想拥有制造小芯片的供应链,你需要这个市场足够大。”小芯片的挑战可以分开。看。“标准化小芯片设计的挑战可以概括为功能、组件封装和签核,”Arm研究员兼技术总监RobAitken说。根据Aitken的细分,它是这样的:功能小芯片与整个系统架构之间的关系非常重要。艾特肯说。“不同的小芯片是否可以被替换(就像它们在内存中一样),或者它们是否执行类似的任务,但具有不同的软件接口、时钟频率、电源、冷却等?”在任何一种情况下,明确的规格、建模和验证对于小芯片和包含它们的3D封装组件的成功开发都至关重要。组件封装HBM标准规定了引脚和功能的具体排列。标准化的逻辑小芯片将需要同样的东西,通过与连接点相关的协议从物理层定义。硬IP模型的挑战(宽高比、引脚布局、测试等)在小芯片中是相似的。即使小芯片允许跨区域连接,“海滨”(沿芯片边缘每毫米每秒的位数)对于接口性能仍然很重要,因为小芯片的布局方式很可能会确定。虽然支持3D封装的协议和引出线标准,但目前还没有完整的逻辑芯片封装标准。Signoff虽然已经做了很多工作,并将继续做,以降低chiplettapeout过程的复杂性,但还没有普遍认同的解决方案,包括如何最好地划分功能和成品良率。以及不同供应商之间chiplet集成的功耗、散热等。解决其中一些问题的唯一方法是设计小芯片并找出具体问题所在。英特尔的阿尔瓦雷斯说:“小芯片今天在商业上是可行的,即使芯片来自不同的供应商。AIB接口的标准化对于解锁这个新生的生态系统至关重要。它尚未开发。”向上,但朝着正确的方向前进。”图2:基于AIB的小芯片的多样化生态系统。Source:IntelAlvarez补充道:“这个想法实际上是一种比今天的方法更敏捷、更灵活的芯片制造方式,这也是DARPA对它感兴趣的原因。既有在开发中的,也有在流片中的,还有在中的chiplets“生产,并且有已经在使用的小芯片。但它们采用不同的技术,来自不同的铸造厂,所以我们对这个生态系统的真正想法是:技术和铸造厂不可知论。“通用?新生态系统的发展提出了先有鸡还是先有蛋的问题。首先,是设计师将不同的IP集成到设计中,还是系统公司来做?“这将是一个缓慢的过程,”Park说。“随着摩尔定律接近物理极限,人们何时会完全放弃单片SoC的概念并转向多芯片设计?”也许中间步骤是合乎逻辑的。“没有人确切知道,但可以肯定的是,第一个小芯片系统将使用标准裸片构建,”Ansys的Swinnen说。就像我们所说的小芯片,裸芯片通过紧密连接层直接连接。如果有这样的系统,并且它成为主流,那么你可以看到它被重新设计为小芯片。”“这种设计减少了它增加了I/O驱动程序并增加了互连带宽。它将是一个混合系统,因此其他芯片仍将是标准版本,但上面至少会有一个小芯片。”为了发展一个生态系统,市场必须足够大。“像HBM内存这样的东西有足够大的市场,而且需求是统一的,”Wu说。人们正在谈论完整的封装光学。光学小芯片可能有应用其中一个标准接口的XSR试图定义一个光接口。那是一个有很大市场的应用。它肯定会演变成一个开放的市场商业模式。“结论通过专有系统证明了小芯片的可行性和价值。但接下来的问题就更难了,因为需要解决技术和商业问题。从目前的情况来看,行业、政府和标准制定机构都将面临挑战,因为这将成为摩尔定律向未来延伸的途径。事实上,整个行业都需要小芯片,即使今天它只为少数人提供竞争优势。
