2021年03月12日 | Chiplets封装普及之路并非一帆风顺

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。 

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。” 

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。”

 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。