AMD新CPU获巨大成功:“小芯片”何时普及?

AMD 新推出的 CPU 凭借小芯片的设计以及先进的制程获得了巨大成功,intel 也发布了采用 3D 封装的 CPU。不过,目前小芯片只为少数公司提供了竞争优势,这一为摩尔定律“续命”的技术想要普及,面临技术方面的挑战,包括标准、良率、功耗、散热、工具、测试等挑战,同时还面临着生态和制造的挑战。

没有人能准确判断小芯片普及的时间,但可以肯定的是这将是一个缓慢的过程。

AMD 新 CPU 获巨大成功:“小芯片”何时普及?

小芯片(Chiplets,也译为芯粒)是一项引人注目的技术,但到目前为止,采用小芯片技术的产品不多,参与者也不多。

在继续研发新工艺节点的同时,出于物理极限或成本原因,晶体管的进一步微缩即将结束。许多行业对晶体管数量的需求高于最新工艺节点所能提供的数量。同时,由于不能在不影响良品率的前提下增大裸片,3nm 芯片的开发成本只有少数人可以负担。

对于芯片需求量没有上百万的细分行业,先进节点的成本难以负担,而小芯片提供了合理的解决方案。

芯片封装并不新鲜。Cadence IC 封装和跨平台解决方案产品主管 John Park 说:“人们希望简化芯片设计,或者使其比 PCB 小,或者消耗更少功耗。将单个裸片封装,然后放置在单个衬底上,通常是层压材料,有时是陶瓷。这样可以构建体积更小,功耗更低的 PCB,我们称其为多芯片模块(MCM)或系统级封装(SiP),这种技术自 80 年代末就被采用。”

行业中经常使用一些术语,这些术语常常使问题变得混乱。“ 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 Tony Mastroianni 说,“实现 SiP 的方法很多,包括 MCM、2.5D 封装和 3D 封装技术。MCM 的方法集成并互连在封装基板上的多个标准 ASIC 组件。2.5D 封装的方法集成硅或有机中介层上的 ASIC 组件,包括通过中介层在两个或多个裸片之间的裸片到裸片连接。3D 封装的方法允许 ASIC 组件在Z轴维度上堆叠和互连。”

那么,这是偏离摩尔定律还是对摩尔定律的扩展?英特尔可编程解决方案事业部首席技术官 Jose Alvarez(何塞·阿尔瓦雷斯)说:“即使在今天,我们仍在遵循戈登摩尔的建议。1965 年,戈登摩尔写了一篇非常短的论文,共四页,内容正是如今的摩尔定律。他在第三页上写道:‘事实证明,使用较小的功能模块(分别封装和互连)构建大型系统会更经济。’ 我们今天拥有的先进封装技术,因此,从某种意义上讲,这是戈登要求我们做的事情的延续。”

AMD 新 CPU 获巨大成功:“小芯片”何时普及?

图1:从 MCM / SiP 迁移到小芯片。资料来源:Cadence

小芯片的不同之处在于,它们是为集成在同一个封装内而专门设计。DARPA 通过 CHIPS 项目开始了这一计划,因为国防工业的芯片需求总量较小,无法负担 5 纳米设计的一次性工程费用。他们关于小芯片的概念是物理 IP 模块,封装在一起。

CHIPS 联盟执行总监 Rob Mains 表示:“ DARPA 选择了正确的方向,这对于全球范围内的设计团队都有意义。大家需要了解收益,行业需要提供一定水平的技术,以确保小芯片产生有效的结果。”

Ansys 产品营销总监 Marc Swinnen 表示同意。“这是一个合理的技术想法,有些组织正在努力实现这一目标。像 ODSA 这样的小组拥有多个小组委员会,致力于使小芯片达到标准化程度,使商业市场能够参与。”

关键是标准。“这个一个不断演进的生态系统。”Synopsys 高速 SerDes 的高级产品经理 Manmeet Walia 说:“这个生态系统十分分散,这一概念最初被提出是因为成本问题,由 DARPA 提出,但这并不是市场发展的动力。其中的一个关键是物理原因,裸片已经足够大。想要进一步提升计算能力,需要更多裸片。”

细分市场的驱动力都与计算相关。Synopsys 产品营销总监肯尼斯·拉森(Kenneth Larsen)说:“关键的推动力实际上是高性能计算。这就是基于小芯片的设计正在增长的地方。不过,今天的小芯片并没有标准。”

看到芯片你就可以发现这种方式已经成功。“我看了一下英特尔新芯片的图,结果发现有八个可以称为小芯片的计算区块,中间还有一些包含缓存和互连区块的条带。” Arteris IP 系统架构师迈克尔·弗兰克(Michael Frank)说 “它们都在硅衬底上。但是这种范例必须建立在标准之上,涵盖电气特性、通信、物理属性等。不可能为每个公司构建不同的小芯片。无论如何,它仍然是芯片,必须按照常规步骤进行流片。”

如果上述问题可以解决,该技术将适用于许多其他领域。Synopsys 的 Larsen 说:“某些设计的某些部分可能适用较旧的节点,而某些则适用较新的节点。” 小芯片的部分价值将来自能够以最佳技术设计 IP。或者,可以在保持接口不变来提升 PPA,或者通过改变部分设计降低整个产品的成本,同时将另一部分迁移到更新的节点上,从而提高计算密度。

随着连接设备的普及,5G 芯片可能成为推动者。CHIPS Alliance 的主管说:“我相信这将为较小的公司(尤其是物联网设备)创造机会。如果是一家初创公司,可以将创新技术与某种类型的 5G 小芯片相结合,并将它们封装在一起。”

小芯片的行业现状

小芯片行业目前的情况如何?Synopsys 的 Walia 说:“在大多数情况下,拥有小芯片的公司不在乎行业标准。Nvidia 有他们的 NVLink,AMD 有他们的 Infinity 结构,高通有 Qlink,英特尔有 AIB。他们都提出了自己的专有接口标准。随着生态系统的不断发展,对标准的需求也不断提高。”

当然,标准也不是全部。Cadence 的 Park 说:“最大的问题在于小芯片的商业化。我们已经有了硬核和软核 IP,小芯片是第三种选择。芯片设计者将能够购买该硬核 IP 并将其放在中介层上,层压或堆叠,或任何操作。”

“封装技术与此独立。小芯片的可行性更多地与逻辑分区有关。缺少的部分是提供 IP 的公司。他们会转变为这种业务模型,并将构建的东西并存储在仓库中吗?答案可能是否定的。谁将提供仓库来存储所有这些小芯片,谁将制造它们,谁将要分发它们,小芯片的商业模型的概念尚未建立,这是一个值得讨论的成本模型。”

也许小芯片还太过遥远。 “作为 IP 供应商,我们准备出售用单独的芯片接口 PHY IP。可以预见,我们将来会出售完整的小芯片芯片。可能是一个 PCIe 小芯片,一侧具有 PCIe SerDes,另一侧则是裸片对裸片(D2D)的 PHY,也有可能有一个控制器。” Cadence IP 集团产品营销总监 Wendy Wu 说.

“今天,我们将这些 IP 作为单独的产品使用,但是我们一直在寻求将它们整合在一起,作为小芯片的统一设计。现在还不能制造这样的芯片,因为如今都是制造标准化的产品。如果想要有制造小芯片的供应链,需要这个市场足够大。”

小芯片的挑战可以分开来看。“小芯片设计标准化的挑战可以总结为功能、元件封装、和签核。” Arm 研究员兼技术总监 Rob Aitken 说。根据 Aitken 的细分,如下:

功能性 小芯片与整个系统架构的关系很重要。Aitken 说。“不同的小芯片是否可以替代(就像它们在内存中一样),或者它们执行相似的任务,但是具有不同的软件接口、时钟频率、电源、散热等?” 无论哪种情况,明确的规格、模型和验证对于成功开发小芯片和包括它们的 3D 封装组件都至关重要。

元件封装  HBM 标准规定了引脚和功能的特定布置。标准化的逻辑小芯片将需要相同的东西,通过与连接点关联的协议从物理层定义。硬核 IP 模型面临的挑战(长宽比、引脚位置、测试等)在小芯片中也类似。即使小芯片允许跨区域连接, beachfront”(bits per second per millimeter along the die edge)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被确定。尽管支持 3D 封装的协议和引脚标准,但还没有完整的逻辑芯片封装标准。

签核 尽管已经进行,并且将继续进行许多工作来减少小芯片在流片过程中的复杂性,但尚未达成普遍认可的解决方案,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的小芯片集成在一起的功耗、散热等问题。

解决其中一些问题的唯一方法设计小芯片,并找出具体问题在哪里。英特尔的阿尔瓦雷斯(Alvarez)说:“小芯片目前在商业上是可行的,即使芯片是来不不同的供应商。AIB 接口的标准化对于开启这个新兴的生态系统至关重要。它尚未发展起来,但正朝着正确的方向发展。”

AMD 新 CPU 获巨大成功:“小芯片”何时普及?

图2:基于 AIB 的小芯片的多样化生态系统。资料来源:英特尔

Alvarez 补充说:“这个想法实际上是比当今制造芯片的方法更加敏捷和灵活的方式,这也是 DARPA 对此感兴趣的原因。如今既有正在开发中,也有正在流片,还有正在生产,也有已经在使用的小芯片。但它们采用不同的技术,来自不同的代工厂,因此对于这个生态系统,我们真正拥有的想法是:与技术和代工厂无关。”

小芯片何时普及?

新生态系统的发展提出了鸡和鸡蛋的问题。首先是,是设计者将不同的 IP 集成到设计中,还是由系统公司来进行?Park 说:“这将是一个缓慢的发展过程。随着摩尔定律定接近物理极限,人们什么时候会完全放弃单片 SoC 的概念而转向多芯片设计?”

也许中间步骤是合乎逻辑的。Ansys 的 Swinnen 说:“没有人能确切知道,一种可靠的情况是,最初的小芯片系统将使用标准裸片构建。严格来说,它们不会被视为小芯片,但它们的构建方式就像我们所说的小芯片一样,裸芯片通过紧密的连接层直接连接。如果有这样的系统,并且它变得主流,那么就可以看到它被重新设计为小芯片。”

“这种设计减少了I/O驱动,并增加了互联带宽。它将是一个混合系统,因此其它芯片仍是标准版本,但上面至少有一个小芯片。”

为了发展生态,市场必须足够大。Wu 说:“诸如 HBM 内存这样有足够大的市场,并且需求是统一的。” 人们正在谈论完整的封装光学器件。光学小芯片可能有一个应用,一个标准接口的 XSR 试图定义光接口。那是一个有很大市场的应用。它肯定会演变成开放市场的商业模式。”

结论

通过专有系统,证明了小芯片的可行性和价值。但接下来的问题更棘手,因为需要解决技术和商业问题。从目前的情况看,产业界、政府和标准制定机构都将迎接挑战,因为这成为将摩尔定律扩展到未来的方式。

实际上,整个行业都需要小芯片,即使今天它只为少数人提供了竞争优势。

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