從1965年沉睡到現(xiàn)在的狂熱復(fù)興，Chiplet在AI中迎來自己的黃金時(shí)代

AI時(shí)代，AI應(yīng)用的普及與數(shù)據(jù)中心需求的增長齊頭并進(jìn)，數(shù)據(jù)中心對高性能計(jì)算的需求進(jìn)一步推動(dòng)了芯片技術(shù)的發(fā)展。然而，隨著摩爾定律逐漸接近其物理極限，傳統(tǒng)的芯片設(shè)計(jì)方法難以滿足AI計(jì)算對性能和成本的雙重需求。

因此，行業(yè)正在積極尋找全新的技術(shù)路徑以應(yīng)對這一挑戰(zhàn)。在此背景下，芯粒（Chiplet）技術(shù)在市場中迅速崛起，通過異構(gòu)集成的方式解決了傳統(tǒng)芯片的諸多問題，為數(shù)據(jù)中心和AI應(yīng)用的發(fā)展提供了有力支持，逐漸成為業(yè)界廣泛采用的解決方案。

IDTechEx報(bào)告稱，在數(shù)據(jù)中心和人工智能（AI）等領(lǐng)域高性能計(jì)算需求的推動(dòng)下，預(yù)計(jì)到2035年全球芯粒市場規(guī)模將達(dá)到4,110億美元。從1965年首次提出，到現(xiàn)在的狂熱復(fù)興。Chiplet正在AI中迎來自己的黃金時(shí)代。

Chiplet：突破極限，解鎖下一代計(jì)算潛力

摩爾定律過去幾乎主導(dǎo)了半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，它要求每兩年芯片的晶體管數(shù)量翻一番，從而實(shí)現(xiàn)計(jì)算能力的快速增長。然而，隨著晶體管尺寸逐步接近納米尺度，功耗、熱管理和制造成本等問題日益突出，傳統(tǒng)的“更多晶體管”方式難以繼續(xù)滿足市場對性能、成本和能效的多重需求，而Chiplet技術(shù)作為一種新的芯片架構(gòu)，正在成為突破這一瓶頸的關(guān)鍵技術(shù)，解鎖下一代計(jì)算的潛力。

Chiplet技術(shù)的核心理念是將傳統(tǒng)單一的集成電路（IC）分解成多個(gè)功能模塊，每個(gè)模塊（或稱“芯粒”）可以獨(dú)立設(shè)計(jì)、制造和優(yōu)化。這些模塊可以是不同的計(jì)算核心、內(nèi)存、存儲(chǔ)單元，甚至是加速器（如GPU、NPU），然后通過高速互聯(lián)技術(shù)將它們組合成一個(gè)統(tǒng)一的系統(tǒng)。這種模塊化的設(shè)計(jì)思想打破了傳統(tǒng)芯片的集成方式，使得設(shè)計(jì)師能夠靈活地選擇和組合不同的芯粒，優(yōu)化成本、性能、功耗和開發(fā)周期。

（圖源：AM IG）

在解讀解讀Chiplet時(shí)，我們通常會(huì)聽到業(yè)界專家用樂高積木來進(jìn)行類比，可以更直觀和形象幫助我們理解其概念和原理。

樂高積木——模塊化設(shè)計(jì)： 就像樂高積木有不同形狀和大小的模塊，Chiplet技術(shù)也是一種模塊化設(shè)計(jì)。每個(gè)Chiplet（芯粒）可以是一個(gè)功能單元，像樂高積木中的一個(gè)小塊，可能是處理器核心、內(nèi)存、存儲(chǔ)、輸入輸出模塊等。就像你可以把不同形狀和功能的樂高積木拼接在一起，Chiplet也可以根據(jù)需求組合成一個(gè)完整的系統(tǒng)。

靈活組合——自由定制： 在樂高世界里，你可以根據(jù)自己的需求，選擇不同的積木來搭建房子、車子或其他任何東西，不同的模塊可以組合成不同的結(jié)構(gòu)。同樣，Chiplet技術(shù)允許設(shè)計(jì)師根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求，選擇不同的芯粒，并將它們組合成一個(gè)特定的芯片或系統(tǒng)。這種靈活性使得設(shè)計(jì)過程更加高效，能夠快速響應(yīng)不同市場需求和技術(shù)進(jìn)步。

標(biāo)準(zhǔn)接口——無縫連接： 樂高積木的所有模塊都有標(biāo)準(zhǔn)的接口（比如凹凸的連接點(diǎn)），使得不同的積木能夠方便地連接在一起，形成一個(gè)完整的結(jié)構(gòu)。同樣，Chiplet技術(shù)也依賴標(biāo)準(zhǔn)化的接口和高速互連技術(shù)（例如，CXL、UCIe等），使得不同功能模塊的Chiplet可以無縫連接，協(xié)同工作。

可擴(kuò)展性和靈活性——不斷擴(kuò)展： 在樂高模型中，如果你想擴(kuò)展你的作品，只需要增加更多的積木塊，而不需要重新構(gòu)建整個(gè)模型。同樣，Chiplet技術(shù)也支持系統(tǒng)的擴(kuò)展。如果需要增加更多的計(jì)算能力或功能，可以直接在現(xiàn)有的Chiplet基礎(chǔ)上添加更多的模塊，而不必重新設(shè)計(jì)整個(gè)芯片。

降低成本和時(shí)間——模塊化生產(chǎn)： 樂高積木的生產(chǎn)是高度標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化的，因此你可以很容易地找到任何你需要的部件，且生產(chǎn)成本較低。Chiplet技術(shù)采用模塊化設(shè)計(jì)，也有類似的優(yōu)勢。各個(gè)芯?？梢愿鶕?jù)不同的需求進(jìn)行獨(dú)立制造，并且可以使用不同的工藝技術(shù)，這樣不僅減少了開發(fā)和制造成本，還能加快生產(chǎn)周期。

（圖源：UCIe）

傳統(tǒng)的單芯片設(shè)計(jì)往往受到單一制造工藝和制程技術(shù)的限制。而Chiplet技術(shù)的模塊化設(shè)計(jì)使得不同功能塊可以根據(jù)需求進(jìn)行選擇和組合，甚至可以采用不同的制程技術(shù)。例如，高性能的計(jì)算核心可以采用先進(jìn)的制程工藝，而存儲(chǔ)模塊則可以選擇性價(jià)比更高的工藝，這樣能夠兼顧不同性能需求和成本控制。此外，通過優(yōu)化芯片間的互聯(lián)方式，Chiplet設(shè)計(jì)也可以實(shí)現(xiàn)更高效的通信，減少數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t和能耗，提升整體系統(tǒng)的性能。Chiplet架構(gòu)的另一大優(yōu)勢是可擴(kuò)展性和易于升級的特性。在傳統(tǒng)芯片設(shè)計(jì)中，升級整個(gè)芯片系統(tǒng)需要重新設(shè)計(jì)所有功能模塊。而在Chiplet架構(gòu)下，設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)市場需求和技術(shù)進(jìn)步，更換或升級單獨(dú)的芯粒，而不必完全更換整個(gè)芯片。這種靈活性使得芯片設(shè)計(jì)的生命周期大大延長，也為不同應(yīng)用場景提供了更高效的解決方案。

通過標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化的設(shè)計(jì)，Chiplet克服了傳統(tǒng)的集成電路設(shè)計(jì)周期長、成本高的挑戰(zhàn)，加快了產(chǎn)品創(chuàng)新周期。當(dāng)前Chiplet技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，尤其在數(shù)據(jù)中心、高性能計(jì)算（HPC）、人工智能（AI）以及5G通信等領(lǐng)域，具有巨大的市場潛力。在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域，芯片的性能需求不斷增加，而功耗和散熱問題也日益嚴(yán)重。通過采用Chiplet技術(shù)，可以有效地在不同模塊之間分配計(jì)算負(fù)載，優(yōu)化功耗和熱管理，從而提升整個(gè)系統(tǒng)的計(jì)算能力與能效。

在人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域，尤其是推理和訓(xùn)練任務(wù)中，Chiplet技術(shù)通過支持專門的硬件加速器（如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理單元，NPU）和高帶寬內(nèi)存等，能夠提升AI工作負(fù)載的處理效率。此外，5G通信的部署也對芯片提出了更高的要求，Chiplet技術(shù)通過提供靈活的網(wǎng)絡(luò)處理模塊和低延遲的數(shù)據(jù)傳輸能力，有助于滿足5G網(wǎng)絡(luò)對低功耗和高性能的需求。

隨著制造工藝不斷進(jìn)步，Chiplet技術(shù)將繼續(xù)發(fā)展，未來可能會(huì)更多出現(xiàn)在更多新興應(yīng)用中，包括邊緣計(jì)算、自動(dòng)駕駛、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域。

Chiplet成功關(guān)鍵：加速推進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)化，擴(kuò)大生態(tài)繁榮

隨著Chiplet技術(shù)在半導(dǎo)體領(lǐng)域的迅猛發(fā)展，行業(yè)對其前景充滿期待。然而，技術(shù)創(chuàng)新的背后，Chiplet的成功并不僅僅依賴于模塊化設(shè)計(jì)理念本身，更在于行業(yè)能否有效推動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程。標(biāo)準(zhǔn)化已成為Chiplet技術(shù)發(fā)展的核心驅(qū)動(dòng)力，決定了這一創(chuàng)新能否在未來的芯片生態(tài)中占據(jù)主導(dǎo)地位。

在當(dāng)前的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中，許多企業(yè)和行業(yè)組織已經(jīng)開始著手推動(dòng)Chiplet的標(biāo)準(zhǔn)化工作，以解決異構(gòu)集成中的接口兼容性和互操作性問題。沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，不同廠商生產(chǎn)的Chiplet將難以實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)互聯(lián)，進(jìn)而限制Chiplet技術(shù)的廣泛應(yīng)用。

而Arm致力于成為芯粒生態(tài)系統(tǒng)的基石：從推出芯粒系統(tǒng)架構(gòu) (CSA) 到近期發(fā)布首個(gè)公開規(guī)范，Arm一步步推動(dòng)芯粒技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化，減少行業(yè)的碎片化，加速芯片技術(shù)演進(jìn)。

事實(shí)上，一直以來，Arm都在芯粒發(fā)展過程中扮演重要角色：

· 2023年10月，Arm全面設(shè)計(jì)(Arm Total Design)推動(dòng)芯粒生態(tài)系統(tǒng)蓬勃發(fā)展。

· 2024年2月，Arm攜手生態(tài)系統(tǒng)制定標(biāo)準(zhǔn)，提供加速芯粒應(yīng)用所需的通用框架。

· 2024年4月，Arm攜手合作伙伴共同推動(dòng)AMBA CHI芯片到芯片互連協(xié)議等倡議的落地實(shí)施。

這三項(xiàng)舉措，體現(xiàn)了Arm推動(dòng)Chiplet技術(shù)從概念到現(xiàn)實(shí)的全方位努力。

首先，Arm Total Design是Arm提出的一種全面的芯片設(shè)計(jì)系統(tǒng)，匯集了專用集成電路 (ASIC) 設(shè)計(jì)公司、IP 供應(yīng)商、EDA 工具提供商、代工廠和固件開發(fā)者等行業(yè)領(lǐng)先企業(yè)，能夠加速Chiplet設(shè)計(jì)中的系統(tǒng)整合，幫助芯片設(shè)計(jì)師構(gòu)建異構(gòu)集成的系統(tǒng)。

而Arm芯粒系統(tǒng)架構(gòu) (Chiplet System Architecture, CSA)，則是Arm 與 20 多位合作伙伴正在分析和界定基于芯粒的系統(tǒng)的最佳分區(qū)選擇，以提高多個(gè)供應(yīng)商之間的組件（包括物理設(shè)計(jì) IP、軟 IP 等）復(fù)用率。這項(xiàng)舉措的核心是通過提供通用框架和標(biāo)準(zhǔn)化接口，幫助不同廠商的芯?；ハ嗉嫒?，確保它們能夠無縫集成。標(biāo)準(zhǔn)化不僅是推動(dòng)Chiplet技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵因素，它也能為廠商提供共同的技術(shù)基礎(chǔ)，減少開發(fā)成本和時(shí)間。

（圖源：CSA）

AMBA CHI協(xié)議（Arm Memory Bus Architecture Chip-to-Chip Interface）則是Arm推動(dòng)的芯粒間互連協(xié)議，它專門用于芯粒之間的高效通信。AMBA CHI協(xié)議為不同芯粒間的通信提供了統(tǒng)一的高帶寬、低延遲的連接方式。通過這一協(xié)議，芯粒能夠通過標(biāo)準(zhǔn)化的連接路徑共享內(nèi)存和其他系統(tǒng)資源，確保了系統(tǒng)性能的提升。

（圖源：Arm）

設(shè)計(jì)創(chuàng)新 + 標(biāo)準(zhǔn)化 + 高效互連，Arm的三大舉措從三個(gè)核心維度入手，推動(dòng)了Chiplet技術(shù)的成熟與普及。通過設(shè)計(jì)創(chuàng)新，Arm為芯粒提供了靈活的定制化設(shè)計(jì)框架；通過標(biāo)準(zhǔn)化，Arm確保了不同芯粒之間能夠高效協(xié)作，克服了異構(gòu)集成中的兼容性問題；而通過AMBA CHI協(xié)議，Arm為芯粒間的高速數(shù)據(jù)傳輸提供了可靠的技術(shù)支撐。

結(jié)語

Chiplet并非一種全新的設(shè)計(jì)思維，早在 1965 年，IBM 就使用類似模塊化的方法來開發(fā)大型處理器。但當(dāng)時(shí)的半導(dǎo)體制造工藝和封裝技術(shù)無法支撐這種模塊化設(shè)計(jì)的廣泛應(yīng)用。特別是在芯?；ミB和高密度集成方面，傳統(tǒng)的單片集成電路設(shè)計(jì)在性能上具有更大的優(yōu)勢。

但隨著摩爾定律走向極致，而AI、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、邊緣計(jì)算等領(lǐng)域?qū)Ω咝阅苡?jì)算、低功耗、高靈活性的計(jì)算需求又在不斷增加；這些因素共同促進(jìn)了Chiplet技術(shù)的現(xiàn)代復(fù)興，使其在今天成為半導(dǎo)體行業(yè)的熱門技術(shù)方向。

行業(yè)領(lǐng)先企業(yè)紛紛針對Chiplet展開技術(shù)探索，并積極進(jìn)行技術(shù)奠基，取得了卓越成績。

2025年1月，Arm宣布其芯粒系統(tǒng)架構(gòu)(CSA)正式推出首個(gè)公開規(guī)范，在AMBA CHI C2C統(tǒng)一接口協(xié)議基礎(chǔ)上，進(jìn)一步推動(dòng)芯粒技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化，并減少行業(yè)的碎片化。目前，已有超過60 家行業(yè)領(lǐng)先企業(yè)，如 ADTechnology、Alphawave Semi、AMI、楷登電子、云豹智能、Kalray、Rebellions、西門子和新思科技等，積極參與了 CSA 的相關(guān)工作，助力不同領(lǐng)域的芯片戰(zhàn)略制定并遵循統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。

Arm、三星晶圓代工廠、ADTechnology 和Rebellions共同合作開發(fā)了基于Neoverse CSS V3 的 AI CPU 芯粒平臺(tái)；Alcor Micro 和Alphawave 也已經(jīng)推出基于臺(tái)積公司工藝的全新芯粒；這都是使用AMBA CHI C2C接口協(xié)議的生態(tài)伙伴取得的創(chuàng)新成果。

展望未來，隨著技術(shù)不斷成熟、標(biāo)準(zhǔn)逐步統(tǒng)一、生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)一步繁榮，Chiplet將推動(dòng)高性能計(jì)算在性能和效率上的進(jìn)一步突破，也為其他行業(yè)帶來更為可定制化的解決方案。未來，Chiplet技術(shù)能夠有效應(yīng)對各種特定市場需求和挑戰(zhàn)，幫助我們滿足在AI時(shí)代日益增長的各種計(jì)算需求挑戰(zhàn)。