芯片革命來臨，科技企業(yè)會(huì)乘勢(shì)而上，還是轟然倒下？

注：【 圖片來源：Intel Newsroom 所有者：Ramune Nagisetty 】

小芯片（chiplet）的問世被當(dāng)成一種標(biāo)志：人們?cè)噲D增強(qiáng)計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)性能，盡管傳統(tǒng)的摩爾定律已經(jīng)接近尾聲。

支持者認(rèn)為，小芯片的應(yīng)用不僅會(huì)催生更為專業(yè)的系統(tǒng)，還會(huì)給芯片行業(yè)帶來更高的產(chǎn)量。更重要的是，這可能會(huì)促使無晶圓廠半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)生重大轉(zhuǎn)變，推動(dòng)這一行業(yè)的最終產(chǎn)品變成小型專用芯片，而這種芯片會(huì)與通用處理器以及其他芯片組合在一起。

英特爾在俄勒岡州有一個(gè)技術(shù)開發(fā)小組，Ramune Nagisetty擔(dān)任該小組的首席工程師，她一直致力于幫助全行業(yè)建立小芯片生態(tài)系統(tǒng)。今年三月，Ramune Nagisetty接受了IEEE Spectrum的專訪。

本文中，Ramune Nagisetty就以下幾個(gè)方面作出了回答：

1.Chiplet的定義及重要性

2.英特爾的EMIB和應(yīng)用

3.存在的問題和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

4.對(duì)未來的展望

談到“chiplet”這一概念的界定以及它的重要性時(shí)，Ramune Nagisetty表示：

從實(shí)際上來說，“chiplet”是一種芯片，封裝了一個(gè)IP（知識(shí)產(chǎn)權(quán)）子系統(tǒng)。它通常是通過高級(jí)封裝集成，或者是通過標(biāo)準(zhǔn)化接口使用。至于它們?yōu)槭裁磿?huì)變得如此重要，這是因?yàn)槲覀兊挠?jì)算和工作類型呈爆炸式增長，目前沒有一種全能的辦法來應(yīng)對(duì)這些問題。從根本上說，對(duì)一流技術(shù)的異構(gòu)集成是延續(xù)摩爾定律的一種方式。

Nagisetty認(rèn)為，異構(gòu)技術(shù)并不是非要硅來完成，它還可以應(yīng)用其他類型的半導(dǎo)體，例如，鍺或III-Vs。當(dāng)然，未來我們會(huì)有更多種類的半導(dǎo)體技術(shù)。雖然，目前我們只有基于硅的小芯片，但它們能夠應(yīng)用在不同的技術(shù)里。它們還可以在數(shù)字、模擬、RF以及內(nèi)存技術(shù)等不同的領(lǐng)域進(jìn)行調(diào)優(yōu)以獲得更好的性能。在這方面，真正的驅(qū)動(dòng)力是存儲(chǔ)器的集成。高帶寬存儲(chǔ)器（HBM）本質(zhì)上是異構(gòu)硅封裝集成的第一個(gè)證明，而內(nèi)存器本質(zhì)上是第一種異構(gòu)集成類型。

那么，英特爾連接小芯片的EMIB（嵌入式多芯片互連橋）是什么，它是如何運(yùn)轉(zhuǎn)的呢？Nagisetty表示：

我們可以把它看作是連接兩個(gè)芯片的高密度橋梁，這大概是理解EMIB的最好方式。我想，很多人都悉知使用硅介體來作高級(jí)封裝襯底的用途，因?yàn)樗哂芯o密的互連性和內(nèi)置硅穿孔，這讓芯片之間的高帶寬連接成為可能。

EMIB（圖中圓圈所示）使用高密度互連連接到同一封裝內(nèi)的芯片

將芯片連接到EMIB的連接凸塊比普通凸塊（左下）具有更精細(xì)的間距

注：【 圖片來源：IEEE 所有者：Intel 】

EMIB本質(zhì)上就是一個(gè)非常小的硅介體，它具有非常高密度的互連性。而所謂的微凸塊是連接芯片與芯片的焊料小球，它的密度比標(biāo)準(zhǔn)封裝襯底要高得多。EMIB一般都會(huì)被嵌到一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)封裝襯底中。使用EMIB，你就可以在需要的地方實(shí)現(xiàn)最高互連密度，然后再使用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的封裝襯底來完成剩下的互連。

這樣做有很多好處，其中之一就是節(jié)約成本，因?yàn)楣杞轶w的成本與面積成正比。在這種情況下，我們能將高密度互連定位到最需要的地方。此外，使用標(biāo)準(zhǔn)的封裝襯底而不是硅介體，在整體嵌入損耗(由于材料特性導(dǎo)致的信號(hào)衰減)方面也有好處。

對(duì)于英特爾使用EMIB的目的，Nagisetty是這樣解釋的：

英特爾已經(jīng)展示了幾個(gè)關(guān)于小芯片的應(yīng)用，雖然其中有兩種基于EMIB技術(shù)，但它們非常不同。

第一個(gè)是Kaby Lake-G，這是我們將AMD的Radeon GPU和HBM與我們自己的CPU芯片集成而來的。我們使用EMIB集成GPU和HBM。然后我們?cè)偻ㄟ^封裝內(nèi)的PCI Express（一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的電路板接口）集成GPU和CPU。

這個(gè)產(chǎn)品的真正有趣之處在于，我們使用不同廠商的元件和共同的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口（HBM和PCI Express）來創(chuàng)建一流的產(chǎn)品。在本例中，我們使用了一個(gè)組件（GPU和HBM），該組件能夠單獨(dú)放在一塊板上，然后集成封裝。而PCI Express可以用于遠(yuǎn)距離發(fā)送信號(hào)，這更像是典型的電路板。將它封裝起來并不是一個(gè)最優(yōu)的解決方案，但它的速度夠快。

除了Kaby Lake-G，Nagisetty接下來要討論的是Stratix 10 FPGA：

Stratix 10的中心是英特爾的FPGA，被六個(gè)小芯片包圍，其中四個(gè)是高速收發(fā)芯片，兩個(gè)是高帶寬內(nèi)存芯片，它們都被封裝在一起。這個(gè)產(chǎn)品集成了三個(gè)廠商貢獻(xiàn)的六種技術(shù)，進(jìn)一步證明了不同廠商之間的互用性。

Stratix 10 FPGA使用了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的模對(duì)模接口AIB，這是英特爾的高級(jí)接口總線。它是為這個(gè)產(chǎn)品創(chuàng)建的，算得上是一個(gè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，用于封裝內(nèi)的高帶寬、邏輯到邏輯互連。所以，HBM是內(nèi)存集成的第一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，AIB是邏輯集成的第一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。

英特爾Stratix 10是使用EMIB連接封裝中小芯片的主要示例

注：【 圖片來源：IEEE 所有者：Intel 】

作為這個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的中心，AIB接口和FPGA真正偉大之處在于可行的混合匹配模式。目前，許多公司和大學(xué)也實(shí)施了DARPA的CHIPS（通用異種基因集成和IP重用策略），利用AIB來創(chuàng)建小芯片。

Nagisetty想談的第三個(gè)例子是英特爾的Foveros，她說：

這是我們邏輯對(duì)邏輯的模堆積，去年十二月我們首次談及了這項(xiàng)技術(shù)。在1月份的CES上，我們發(fā)布了相關(guān)產(chǎn)品Lakefield。雖然它由小芯片集成，但不是水平疊堆，而是垂直疊堆。

這種類型的集成可以在兩個(gè)芯片之間獲得極高的帶寬。但它基于內(nèi)部的專有的接口，而且這兩個(gè)芯片基本上要進(jìn)行同步設(shè)計(jì)的，以便管理電力輸送和散熱等問題。

就邏輯對(duì)邏輯的模堆積而言，行業(yè)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的出現(xiàn)可能還需要很長的時(shí)間，因?yàn)槟；旧鲜枪餐O(shè)計(jì)的。建立在邏輯之上的存儲(chǔ)堆積可能是三維堆積標(biāo)準(zhǔn)誕生的地方。

Nagisetty還強(qiáng)調(diào)，設(shè)計(jì)堆疊芯片時(shí)，重點(diǎn)要考慮散熱問題：

不難想象，疊模會(huì)加劇發(fā)熱的問題，所以我們要仔細(xì)設(shè)計(jì)板面來應(yīng)對(duì)發(fā)熱情況。我們還需要考慮整個(gè)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。3D堆疊的應(yīng)用含義將影響架構(gòu)決策，不僅是物理架構(gòu)，而是整個(gè)CPU或GPU和系統(tǒng)架構(gòu)。

此外，如果我們想要展現(xiàn)任何互用性，我們就需要有互用的材料系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)互用性，我們需要做大量的工作，但是我認(rèn)為，散熱是最大的挑戰(zhàn)，電源交付和電源管理緊隨其后。

除了上述問題，建立測(cè)試的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)也非常重要。

通常，我們會(huì)使用封裝完畢的部件進(jìn)行測(cè)試。所以，我們必須把正常運(yùn)作的小芯片封裝起來，這樣我們就不會(huì)因錯(cuò)誤地封裝了有問題的小芯片，而導(dǎo)致產(chǎn)量下降。因此，我們要想出一個(gè)完美的測(cè)試策略。另外，我們還需要供應(yīng)商對(duì)電力和熱力的大力支持。這意味著我們要連接所有集成的芯片，以便同時(shí)管理電源和熱量。

就電氣可操作性而言，我們?nèi)ツ?月發(fā)布的接口AIB，實(shí)際只是一個(gè)物理級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)，即電氣和物理接口。所以，我們還需要有貫穿上層協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)。

最后一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)，這一點(diǎn)很明顯。實(shí)際上，微凸塊的放置和塊與塊之間的路徑需要相關(guān)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)來保證互用性。

想要了解一個(gè)小芯片是否能夠正常運(yùn)作，通常要對(duì)封裝部件進(jìn)行熱測(cè)試。因此，我們必須在芯片封裝之前測(cè)試裸模芯片。測(cè)試封裝的部件，或者為封裝部件輸送電力會(huì)相對(duì)簡單，而在裸模上進(jìn)行測(cè)試會(huì)遇到更多挑戰(zhàn)，因?yàn)闇y(cè)試需要額外設(shè)計(jì)測(cè)試探頭。

另一件事是，為了測(cè)試獨(dú)立小芯片而需要的東西都需要設(shè)計(jì)到芯片中，小芯片必須在封裝前單獨(dú)完成測(cè)試，這是非常重要的。因?yàn)?，如果封裝好的芯片里有損壞品，就會(huì)浪費(fèi)一同封裝的好芯片。

這種芯片確實(shí)大幅提升了產(chǎn)量，但這只是我們使用它的一個(gè)原因，而且不是唯一的原因。產(chǎn)量提高的關(guān)鍵因素是在封裝前測(cè)試這些芯片。

這種芯片還會(huì)改變事物的設(shè)計(jì)方式，高帶寬內(nèi)存集成就是一個(gè)例子。目前，高寬帶內(nèi)存已經(jīng)在GPU和高性能AI處理器中廣泛使用。目前看來，小芯片和內(nèi)存集成已經(jīng)改變了芯片的設(shè)計(jì)和集成方式。

小芯片的協(xié)同設(shè)計(jì)無疑是一個(gè)重要的發(fā)展領(lǐng)域。我認(rèn)為，未來，將有不少供應(yīng)商提供這種小芯片。理解不同芯片供應(yīng)商的需求，并跨邊界進(jìn)行通信，這一步非常重要。

小芯片的問世及使用只是一場革命的開始，一個(gè)新的產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)將圍繞這一點(diǎn)發(fā)展。它將改變我們?cè)O(shè)計(jì)芯片或封裝部件的方式，改變半導(dǎo)體生態(tài)系統(tǒng)的演變。

關(guān)于這個(gè)新的生態(tài)系統(tǒng)，Nagisetty十分樂觀：

我認(rèn)為這對(duì)于無晶圓廠初創(chuàng)公司來說是一個(gè)非常激動(dòng)人心的時(shí)刻，因?yàn)樗麄冇袡C(jī)會(huì)創(chuàng)建更小的IP子系統(tǒng)。當(dāng)它使用小芯片集成時(shí)，這個(gè)子系統(tǒng)將非常有價(jià)值。

DARPA芯片項(xiàng)目的目標(biāo)之一是，支持知識(shí)產(chǎn)權(quán)的再利用，并降低生產(chǎn)產(chǎn)品過程中的非經(jīng)常性工程成本總量。小芯片的出現(xiàn)允許無晶圓廠的初創(chuàng)公司專注于自己非常擅長的IP部分，而不必?fù)?dān)心其他內(nèi)容。

小芯片的發(fā)展不僅對(duì)無晶圓廠初創(chuàng)公司有所助力，它在DARPA資助的電子復(fù)興計(jì)劃里也占據(jù)著重要地位。雖然，有能力研發(fā)高端半導(dǎo)體技術(shù)的公司數(shù)量在過去幾年有所下降，中小企業(yè)的創(chuàng)新能力也受到了影響，但這對(duì)于無晶圓廠的初創(chuàng)企業(yè)來說，是乘勢(shì)而上的絕佳機(jī)會(huì)。

在這一領(lǐng)域?qū)⒄Q生一個(gè)創(chuàng)新的平臺(tái)，很多變化會(huì)從這里開始，很多機(jī)會(huì)也蘊(yùn)藏在這里。

為了促進(jìn)這種基于加速器和封裝集成的新型生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展，有很多事情正在快速發(fā)生。我們并不能算出這場革命還要多久才會(huì)到來，但我應(yīng)該不會(huì)花太長時(shí)間了，或許就在近些年。

英特爾目前在市場上投放的產(chǎn)品都是尖端例子，可以教我們?nèi)绾卧谖磥韯?chuàng)造新產(chǎn)品。我們雖然有很多集成方案，但才剛剛開始朝這個(gè)方向發(fā)展。不過，有了這些技術(shù)，我們確實(shí)有能力比后來人取得更大的進(jìn)步。

注：本文編譯自IEEE

【封面圖片來源：網(wǎng)站名IEEE，所有者：Intel】

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