AMD新推出的CPU憑借小芯片的設(shè)計(jì)以及先進(jìn)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(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，這一為摩爾定律“續(xù)命”的技術(shù)想要普及，面臨技術(shù)方面的挑戰(zhàn)，包括標(biāo)準(zhǔn)、良率、功耗、散熱、工具、測(cè)試等挑戰(zhàn)，同時(shí)還面臨著生態(tài)和制造的挑戰(zhàn)。

沒有人能準(zhǔn)確判斷小芯片普及的時(shí)間，但可以肯定的是這將是一個(gè)緩慢的過程。

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

在繼續(xù)研發(fā)新工藝節(jié)點(diǎn)的同時(shí)，出于物理極限或成本原因，晶體管的進(jìn)一步微縮即將結(jié)束。許多行業(yè)對(duì)晶體管數(shù)量的需求高于最新工藝節(jié)點(diǎn)所能提供的數(shù)量。同時(shí)，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(fù)擔(dān)。

對(duì)于芯片需求量沒有上百萬的細(xì)分行業(yè)，先進(jìn)節(jié)點(diǎn)的成本難以負(fù)擔(dān)，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(tái)解決方案產(chǎn)品主管John Park說：“人們希望簡(jiǎn)化芯片設(shè)計(jì)，或者使其比PCB小，或者消耗更少功耗。將單個(gè)裸片封裝，然后放置在單個(gè)襯底上，通常是層壓材料，有時(shí)是陶瓷。這樣可以構(gòu)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(jí)封裝（SiP），這種技術(shù)自80年代末就被采用?！?/p>

行業(yè)中經(jīng)常使用一些術(shù)語(yǔ)，這些術(shù)語(yǔ)常常使問題變得混亂。“ SiP可以簡(jiǎn)單地定義為將兩個(gè)或多個(gè)ASIC組件集成到一個(gè)封裝中。”西門子EDA高級(jí)封裝解決方案總監(jiān)Tony Mastroianni說，“實(shí)現(xiàn)SiP的方法很多，包括MCM、2.5D封裝和3D封裝技術(shù)。MCM的方法集成并互連在封裝基板上的多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)ASIC組件。2.5D封裝的方法集成硅或有機(jī)中介層上的ASIC組件，包括通過中介層在兩個(gè)或多個(gè)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?！?/p>

那么，這是偏離摩爾定律還是對(duì)摩爾定律的擴(kuò)展？英特爾可編程解決方案事業(yè)部首席技術(shù)官Jose Alvarez（何塞·阿爾瓦雷斯）說：“即使在今天，我們?nèi)栽谧裱甑悄柕慕ㄗh。1965年，戈登摩爾寫了一篇非常短的論文，共四頁(yè)，內(nèi)容正是如今的摩爾定律。他在第三頁(yè)上寫道：‘事實(shí)證明，使用較小的功能模塊（分別封裝和互連）構(gòu)建大型系統(tǒng)會(huì)更經(jīng)濟(jì)?！覀兘裉鞊碛械南冗M(jìn)封裝技術(shù)，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)。”

圖1：從MCM / SiP遷移到小芯片。資料來源：Cadence

小芯片的不同之處在于，它們是為集成在同一個(gè)封裝內(nèi)而專門設(shè)計(jì)。DARPA通過CHIPS項(xiàng)目開始了這一計(jì)劃，因?yàn)閲?guó)防工業(yè)的芯片需求總量較小，無法負(fù)擔(dān)5納米設(shè)計(jì)的一次性工程費(fèi)用。他們關(guān)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(duì)于全球范圍內(nèi)的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)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(shù)，以確保小芯片產(chǎn)生有效的結(jié)果。”

Ansys產(chǎn)品營(yíng)銷總監(jiān)Marc Swinnen表示同意?！斑@是一個(gè)合理的技術(shù)想法，有些組織正在努力實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。像ODSA這樣的小組擁有多個(gè)小組委員會(huì)，致力于使小芯片達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)化程度，使商業(yè)市場(chǎng)能夠參與。”

關(guān)鍵是標(biāo)準(zhǔn)?！斑@個(gè)一個(gè)不斷演進(jìn)的生態(tài)系統(tǒng)。”Synopsys高速SerDes的高級(jí)產(chǎn)品經(jīng)理Manmeet Walia說：“這個(gè)生態(tài)系統(tǒng)十分分散，這一概念最初被提出是因?yàn)槌杀締栴}，由DARPA提出，但這并不是市場(chǎng)發(fā)展的動(dòng)力。其中的一個(gè)關(guān)鍵是物理原因，裸片已經(jīng)足夠大。想要進(jìn)一步提升計(jì)算能力，需要更多裸片。”

細(xì)分市場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)力都與計(jì)算相關(guān)。Synopsys產(chǎn)品營(yíng)銷總監(jiān)肯尼斯·拉森（Kenneth Larsen）說：“關(guān)鍵的推動(dòng)力實(shí)際上是高性能計(jì)算。這就是基于小芯片的設(shè)計(jì)正在增長(zhǎng)的地方。不過，今天的小芯片并沒有標(biāo)準(zhǔn)。”

看到芯片你就可以發(fā)現(xiàn)這種方式已經(jīng)成功?！拔铱戳艘幌掠⑻貭栃滦酒膱D，結(jié)果發(fā)現(xiàn)有八個(gè)可以稱為小芯片的計(jì)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(gòu)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(biāo)準(zhǔn)之上，涵蓋電氣特性、通信、物理屬性等。不可能為每個(gè)公司構(gòu)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(jìn)行流片。”

如果上述問題可以解決，該技術(shù)將適用于許多其他領(lǐng)域。Synopsys的Larsen說：“某些設(shè)計(jì)的某些部分可能適用較舊的節(jié)點(diǎn)，而某些則適用較新的節(jié)點(diǎn)。”小芯片的部分價(jià)值將來自能夠以最佳技術(shù)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)降低整個(gè)產(chǎn)品的成本，同時(shí)將另一部分遷移到更新的節(jié)點(diǎn)上，從而提高計(jì)算密度。

隨著連接設(shè)備的普及，5G芯片可能成為推動(dòng)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(wǎng)設(shè)備）創(chuàng)造機(jī)會(huì)。如果是一家初創(chuàng)公司，可以將創(chuàng)新技術(shù)與某種類型的5G小芯片相結(jié)合，并將它們封裝在一起?！?/p>

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(biāo)準(zhǔn)。Nvidia有他們的NVLink，AMD有他們的Infinity結(jié)構(gòu)，高通有Qlink，英特爾有AIB。他們都提出了自己的專有接口標(biāo)準(zhǔn)。隨著生態(tài)系統(tǒng)的不斷發(fā)展，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的需求也不斷提高?！?/p>

當(dāng)然，標(biāo)準(zhǔn)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(jīng)有了硬核和軟核IP，小芯片是第三種選擇。芯片設(shè)計(jì)者將能夠購(gòu)買該硬核IP并將其放在中介層上，層壓或堆疊，或任何操作?！?/p>

“封裝技術(shù)與此獨(dú)立。小芯片的可行性更多地與邏輯分區(qū)有關(guān)。缺少的部分是提供IP的公司。他們會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)檫@種業(yè)務(wù)模型，并將構(gòu)建的東西并存儲(chǔ)在倉(cāng)庫(kù)中嗎？答案可能是否定的。誰將提供倉(cāng)庫(kù)來存儲(chǔ)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(gè)值得討論的成本模型。”

也許小芯片還太過遙遠(yuǎn)。 “作為IP供應(yīng)商，我們準(zhǔn)備出售用單獨(dú)的芯片接口PHY IP?？梢灶A(yù)見，我們將來會(huì)出售完整的小芯片芯片。可能是一個(gè)PCIe小芯片，一側(cè)具有PCIe SerDes，另一側(cè)則是裸片對(duì)裸片（D2D）的PHY，也有可能有一個(gè)控制器?！?Cadence IP集團(tuán)產(chǎn)品營(yíng)銷總監(jiān)Wendy Wu說.

“今天，我們將這些IP作為單獨(dú)的產(chǎn)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(shè)計(jì)。現(xiàn)在還不能制造這樣的芯片，因?yàn)槿缃穸际侵圃鞓?biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)品。如果想要有制造小芯片的供應(yīng)鏈，需要這個(gè)市場(chǎng)足夠大。”

小芯片的挑戰(zhàn)可以分開來看。“小芯片設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化的挑戰(zhàn)可以總結(jié)為功能、元件封裝、和簽核。”Arm研究員兼技術(shù)總監(jiān)Rob Aitken說。根據(jù)Aitken的細(xì)分，如下：

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

元件封裝 HBM標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了引腳和功能的特定布置。標(biāo)準(zhǔn)化的邏輯小芯片將需要相同的東西，通過與連接點(diǎn)關(guān)聯(lián)的協(xié)議從物理層定義。硬核IP模型面臨的挑戰(zhàn)（長(zhǎng)寬比、引腳位置、測(cè)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(duì)于接口性能仍然很重要，因?yàn)樾⌒酒牟季址绞胶芸赡軙?huì)被確定。盡管支持3D封裝的協(xié)議和引腳標(biāo)準(zhǔn)，但還沒有完整的邏輯芯片封裝標(biāo)準(zhǔn)。

簽核盡管已經(jīng)進(jìn)行，并且將繼續(xù)進(jìn)行許多工作來減少小芯片在流片過程中的復(fù)雜性，但尚未達(dá)成普遍認(rèn)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(yīng)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(shè)計(jì)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(yīng)商。AIB接口的標(biāo)準(zhǔn)化對(duì)于開啟這個(gè)新興的生態(tài)系統(tǒng)至關(guān)重要。它尚未發(fā)展起來，但正朝著正確的方向發(fā)展?！?/p>

圖2：基于AIB的小芯片的多樣化生態(tài)系統(tǒng)。資料來源：英特爾

Alvarez補(bǔ)充說：“這個(gè)想法實(shí)際上是比當(dāng)今制造芯片的方法更加敏捷和靈活的方式，這也是DARPA對(duì)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(chǎn)，也有已經(jīng)在使用的小芯片。但它們采用不同的技術(shù)，來自不同的代工廠，因此對(duì)于這個(gè)生態(tài)系統(tǒng)，我們真正擁有的想法是：與技術(shù)和代工廠無關(guān)?！?/strong>

小芯片何時(shí)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(shè)計(jì)者將不同的IP集成到設(shè)計(jì)中，還是由系統(tǒng)公司來進(jìn)行？Park說：“這將是一個(gè)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(shí)候會(huì)完全放棄單片SoC的概念而轉(zhuǎn)向多芯片設(shè)計(jì)？”

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(biāo)準(zhǔn)裸片構(gòu)建。嚴(yán)格來說，它們不會(huì)被視為小芯片，但它們的構(gòu)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(shè)計(jì)為小芯片?！?/p>

“這種設(shè)計(jì)減少了I/O驅(qū)動(dòng)，并增加了互聯(lián)帶寬。它將是一個(gè)混合系統(tǒng)，因此其它芯片仍是標(biāo)準(zhǔn)版本，但上面至少有一個(gè)小芯片。”

為了發(fā)展生態(tài)，市場(chǎng)必須足夠大。Wu說：“諸如HBM內(nèi)存這樣有足夠大的市場(chǎng)，并且需求是統(tǒng)一的?！比藗冋谡?wù)撏暾姆庋b光學(xué)器件。光學(xué)小芯片可能有一個(gè)應(yīng)用，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)接口的XSR試圖定義光接口。那是一個(gè)有很大市場(chǎng)的應(yīng)用。它肯定會(huì)演變成開放市場(chǎng)的商業(yè)模式?！?/p>

結(jié)論

通過專有系統(tǒng)，證明了小芯片的可行性和價(jià)值。但接下來的問題更棘手，因?yàn)樾枰鉀Q技術(shù)和商業(yè)問題。從目前的情況看，產(chǎn)業(yè)界、政府和標(biāo)準(zhǔn)制定機(jī)構(gòu)都將迎接挑戰(zhàn)，因?yàn)檫@成為將摩爾定律擴(kuò)展到未來的方式。

實(shí)際上，整個(gè)行業(yè)都需要小芯片，即使今天它只為少數(shù)人提供了競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。