小芯片的發(fā)展對無晶圓廠初創(chuàng)公司有所助力,，在DARPA資助的電子復(fù)興計劃里也占據(jù)著重要地位,。
小芯片（chiplet）的問世被當(dāng)成一種標(biāo)志：人們試圖增強計算機的系統(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)用不僅會催生更為專業(yè)的系統(tǒng),，還會給芯片行業(yè)帶來更高的產(chǎn)量,。更重要的是，這可能會促使無晶圓廠半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)生重大轉(zhuǎn)變,，推動這一行業(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.對未來的展望
談到“chiplet”這一概念的界定以及它的重要性時,，Ramune Nagisetty表示：
從實際上來說,，“chiplet”是一種芯片，封裝了一個IP（知識產(chǎn)權(quán)）子系統(tǒng),。它通常是通過高級封裝集成,，或者是通過標(biāo)準(zhǔn)化接口使用。至于它們?yōu)槭裁磿兊萌绱酥匾?，這是因為我們的計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)對這些問題。從根本上說,，對一流技術(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)域進行調(diào)優(yōu)以獲得更好的性能。在這方面,，真正的驅(qū)動力是存儲器的集成。高帶寬存儲器（HBM）本質(zhì)上是異構(gòu)硅封裝集成的第一個證明,，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，它是如何運轉(zhuǎn)的呢,？Nagisetty表示：
我們可以把它看作是連接兩個芯片的高密度橋梁,，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封裝襯底的用途,，因為它具有緊密的互連性和內(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）具有更精細的間距
EMIB本質(zhì)上就是一個非常小的硅介體,，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一般都會被嵌到一個標(biāo)準(zhǔn)封裝襯底中。使用EMIB,，你就可以在需要的地方實現(xiàn)最高互連密度,，然后再使用一個標(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,，因為硅介體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)致的信號衰減)方面也有好處,。
對于英特爾使用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。然后我們再通過封裝內(nèi)的PCI Express（一個標(biāo)準(zhǔn)的電路板接口）集成GPU和CPU,。
這個產(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,，我們使用了一個組件（GPU和HBM）,，該組件能夠單獨放在一塊板上，然后集成封裝,。而PCI Express可以用于遠距離發(fā)送信號,，這更像是典型的電路板,。將它封裝起來并不是一個最優(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，被六個小芯片包圍,，其中四個是高速收發(fā)芯片,，兩個是高帶寬內(nèi)存芯片，它們都被封裝在一起,。這個產(chǎn)品集成了三個廠商貢獻的六種技術(shù),，進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)的模對模接口AIB,，這是英特爾的高級接口總線,。它是為這個產(chǎn)品創(chuàng)建的，算得上是一個行業(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)存集成的第一個標(biāo)準(zhǔn),，AIB是邏輯集成的第一個標(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想談的第三個例子是英特爾的Foveros，她說：
這是我們邏輯對邏輯的模堆積,，去年十二月我們首次談及了這項技術(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，而且這兩個芯片基本上要進行同步設(shè)計的,，以便管理電力輸送和散熱等問題,。
就邏輯對邏輯的模堆積而言，行業(yè)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的出現(xiàn)可能還需要很長的時間,，因為?；旧鲜枪餐O(shè)計的,。建立在邏輯之上的存儲堆積可能是三維堆積標(biāo)準(zhǔn)誕生的地方。
Nagisetty還強調(diào),，設(shè)計堆疊芯片時，重點要考慮散熱問題：
不難想象,，疊模會加劇發(fā)熱的問題,，所以我們要仔細設(shè)計板面來應(yīng)對發(fā)熱情況。我們還需要考慮整個系統(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,，建立測試的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)也非常重要,。
通常，我們會使用封裝完畢的部件進行測試,。所以,，我們必須把正常運作的小芯片封裝起來，這樣我們就不會因錯誤地封裝了有問題的小芯片,，而導(dǎo)致產(chǎn)量下降,。因此，我們要想出一個完美的測試策略,。另外,，我們還需要供應(yīng)商對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,，實際只是一個物理級的標(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),。
最后一個標(biāo)準(zhǔn)是機械標(biāo)準(zhǔn),，這一點很明顯。實際上,，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,。
想要了解一個小芯片是否能夠正常運作，通常要對封裝部件進行熱測試,。因此,，我們必須在芯片封裝之前測試裸模芯片。測試封裝的部件,，或者為封裝部件輸送電力會相對簡單,，而在裸模上進行測試會遇到更多挑戰(zhàn)，因為測試需要額外設(shè)計測試探頭,。
另一件事是,，為了測試獨立小芯片而需要的東西都需要設(shè)計到芯片中，小芯片必須在封裝前單獨完成測試,，這是非常重要的,。因為，如果封裝好的芯片里有損壞品,，就會浪費一同封裝的好芯片,。
這種芯片確實大幅提升了產(chǎn)量，但這只是我們使用它的一個原因,，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試這些芯片。
這種芯片還會改變事物的設(shè)計方式,，高帶寬內(nèi)存集成就是一個例子,。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)計和集成方式。
小芯片的協(xié)同設(shè)計無疑是一個重要的發(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,，一個新的產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)將圍繞這一點發(fā)展。它將改變我們設(shè)計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)于這個新的生態(tài)系統(tǒng),，Nagisetty十分樂觀：
我認(rèn)為這對于無晶圓廠初創(chuàng)公司來說是一個非常激動人心的時刻，因為他們有機會創(chuàng)建更小的IP子系統(tǒng),。當(dāng)它使用小芯片集成時,，這個子系統(tǒng)將非常有價值。
DARPA芯片項目的目標(biāo)之一是,，支持知識產(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,，但這對于無晶圓廠的初創(chuàng)企業(yè)來說，是乘勢而上的絕佳機會,。
在這一領(lǐng)域?qū)⒄Q生一個創(chuàng)新的平臺,，很多變化會從這里開始，很多機會也蘊藏在這里,。
為了促進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到來,，但我應(yīng)該不會花太長時間了,，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方向發(fā)展,。不過,，有了這些技術(shù)，我們確實有能力比后來人取得更大的進步,。