小芯片的發(fā)展對(duì)無(wú)晶圓廠初創(chuàng)公司有所助力，在DARPA資助的電子復(fù)興計(jì)劃里也占據(jù)著重要地位。

小芯片（chiplet）的問(wèn)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(zhuān)業(yè)的系統(tǒng),，還會(huì)給芯片行業(yè)帶來(lái)更高的產(chǎn)量,。更重要的是，這可能會(huì)促使無(wú)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(zhuān)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(kāi)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(zhuān)訪(fǎng),。

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(wèn)題和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

4.對(duì)未來(lái)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(lái)說(shuō)，“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(guò)高級(jí)封裝集成，或者是通過(guò)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(lèi)型呈爆炸式增長(zhǎng)，目前沒(méi)有一種全能的辦法來(lái)應(yīng)對(duì)這些問(wèn)題,。從根本上說(shuō),，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(lái)完成,，它還可以應(yīng)用其他類(lèi)型的半導(dǎo)體，例如,，鍺或III-Vs,。當(dāng)然，未來(lái)我們會(huì)有更多種類(lèi)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(lèi)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(lái)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

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(lái)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(lái)的,。我們使用EMIB集成GPU和HBM。然后我們?cè)偻ㄟ^(guò)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(lái)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(lái)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(lái)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(xiàn),。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

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(lái)創(chuàng)建小芯片。

Nagisetty想談的第三個(gè)例子是英特爾的Foveros,，她說(shuō)：

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(lèi)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(zhuān)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(wèn)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(zhǎng)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(wèn)題：

不難想象,，疊模會(huì)加劇發(fā)熱的問(wèn)題,，所以我們要仔細(xì)設(shè)計(jì)板面來(lái)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(wèn)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(lái)，這樣我們就不會(huì)因錯(cuò)誤地封裝了有問(wèn)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(lái)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(jiǎn)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)椋绻庋b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(lái)，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(wú)疑是一個(gè)重要的發(fā)展領(lǐng)域,。我認(rèn)為，未來(lái),，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(wèn)世及使用只是一場(chǎng)革命的開(kāi)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(lè)觀：

我認(rèn)為這對(duì)于無(wú)晶圓廠初創(chuàng)公司來(lái)說(shuō)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(guò)程中的非經(jīng)常性工程成本總量,。小芯片的出現(xiàn)允許無(wú)晶圓廠的初創(chuàng)公司專(zhuān)注于自己非常擅長(zhǎng)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(wú)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(guò)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(wú)晶圓廠的初創(chuàng)企業(yè)來(lái)說(shuō)，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(kāi)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(chǎng)革命還要多久才會(huì)到來(lái),，但我應(yīng)該不會(huì)花太長(zhǎng)時(shí)間了,，或許就在近些年。

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