在正在到來的后摩爾時代，芯片先進制程逐漸突破物理極限,，由先前的“如何把芯片變得更小”轉(zhuǎn)變?yōu)椤叭绾伟研酒獾酶　?，先進封裝隨之浮出水面。

　　另一方面,，先進制程帶來的設(shè)計成本也水漲船高。IBS首席執(zhí)行官Handel Jones表示,，設(shè)計28nm芯片的平均成本為4000萬美元。相比之下,，設(shè)計7nm芯片的成本為2.17億美元,，設(shè)計5nm芯片的成本為4.16億美元,，3nm設(shè)計更將耗資5.9億美元,。一般公司很難承受。

　　雙重挑戰(zhàn)下,，Chiplet風潮正在來臨。

　　Chiplet技術(shù)是SoC集成發(fā)展到一定程度之后的一種新的芯片設(shè)計方式,，通過將SoC分成較小的裸片（Die），再將這些模塊化的小芯片（裸片）互連起來,，采用新型封裝技術(shù)，將不同功能,、不同工藝制造的小芯片封裝在一起，成為一個異構(gòu)集成芯片,。

　　通俗點講，就是把不同功能的芯片單元（可以使用不同的工藝節(jié)點制造,，甚至可以由不同的供應商提供）封裝到一個芯片里，快速定制出一個能滿足多種功能需求的芯片產(chǎn)品。Chiplet的興起有望解決工藝提升困難,，以及導致的芯片制造成本問題。

　　芯原股份董事長戴偉民認為,，并非每種芯片都需要5nm/7nm這樣的尖端工藝，也不是每一家公司都能負擔的起先進工藝的成本,，Chiplet這種將不同工藝節(jié)點的die混封的新形態(tài)或?qū)⑹俏磥硇酒闹匾厔葜弧?/p>

　　以AMD為例,，AMD第二代EPYC服務(wù)器處理器Ryzen采用小芯片設(shè)計，將先進的臺積電7nm工藝制造的CPU模塊與更成熟的格羅方德12/14nm工藝制造的I/O模塊組合,，7nm可滿足高算力的需求，12/14nm則降低了制造成本,。同時，采用更成熟制程的I/O模塊還有助于整體良率的提升,。

　　AMD第二代EPYC服務(wù)器處理器Ryzen（圖源：technewstube）

　　Chiplet其實并不是一個新技術(shù),，只是在新工藝節(jié)點越來越貴，競爭越來越激烈的半導體市場上,，又被重新派上了用場。隨著Chiplet的優(yōu)勢逐漸顯露,，它正被微處理器、SoC,、GPU和FPGA等更先進和高度集成的半導體器件采用,。

　　多年來,，AMD、英特爾,、Marvell、ODSA,、DARPA和其他公司都逐漸在開發(fā)支持小芯片的設(shè)計。隨著越來越多的玩家進入,，更多的設(shè)計樣本正在推動成本的下降，加速Chiplet生態(tài)發(fā)展,。據(jù)Omdia報告，2018年Chiplet市場規(guī)模為6.45億美元,，預計到2024年會達到58億美元,，2035年則超過570億美元,，Chiplet的全球市場規(guī)模正在迎來快速增長。

　　2018-2024年全球小芯片市場收入（來源：Omdia）

　　Chiplet互連面臨挑戰(zhàn)

　　與傳統(tǒng)的單片集成方法相比,，Chiplet在許多方面具有優(yōu)勢和潛力。然而,，目前Chiplet尚處于起步階段，只有少數(shù)公司擁有開發(fā)這些產(chǎn)品的能力,，大多數(shù)企業(yè)還沒有足夠的專業(yè)知識,，包括設(shè)計能力,、die（裸片）,、die到die互連和制造策略,，這些都使小芯片的進一步發(fā)展帶來困難。

　　Chiplet的可行性常常受到片間互連的性能,、可用性以及功耗和成本問題的限制,，各種異構(gòu)芯片的互連接口和標準的設(shè)計在技術(shù)和市場競爭方面難以實現(xiàn)性能和靈活性間的平衡,。

　　多年來,，業(yè)內(nèi)一直在尋找一種“真正的互連”,，以便在單個MCM（Multi Chip Module多芯片模塊）中實現(xiàn)從裸片到裸片的通信,，更好的完成數(shù)據(jù)存儲、信號處理,、數(shù)據(jù)處理等豐富的功能。如何讓裸片與裸片之間高速互聯(lián),，是Chiplet技術(shù)落地的關(guān)鍵,，也是全產(chǎn)業(yè)鏈目前的一大全新挑戰(zhàn),。

　　Chiplet技術(shù)在物理層中使用的互連接口可以分為以下幾類：

　　（1）串行接口

　　從應用程序傳輸距離的角度來看,，串行接口包括長/中/短距離的SerDes（LR/MR/VSR SerDes），超短距離（XSR）SerDes和極短距離（USR）SerDes,。

　　串行接口的分類（a）和應用（b）

　　LR/MR/VSR SerDes通常用于芯片間連接和芯片與模塊連接,，被廣泛用于PCI-E,、以太網(wǎng)和RapidIO等通信接口。這些接口的主要特點是可靠,，傳輸距離長，成本低以及易于集成,。然而，由于這些接口在功耗,，面積和延遲方面沒有優(yōu)勢，因此難以支持對此有高要求的高性能芯片的構(gòu)造,。

　　XSR SerDes為“Die-to-Die”（D2D）和“Die-to-Optical”（D2OE）的互連提供了相應的SerDes標準,，現(xiàn)有標準速率正在從50Gbps向100Gbps速率過度,。XSR SerDes不需要復雜的均衡算法,，不添加FEC也可以較好的控制誤碼率,，具有功耗低、面積小,、通信協(xié)議靈活的特點,，適合在具有端到端FEC的光學設(shè)備和裸芯片之間部署,。

　　USR SerDes主要致力于通過2.5D/3D封裝技術(shù)在超短距離（10mm級別）上實現(xiàn)芯片對芯片的高速互連通信。由于通信距離短,，USR通過高級編碼,，多位傳輸和其他技術(shù)提供了更好的性能,、功耗比和更好的可伸縮性,。USR SerDes互連技術(shù)的發(fā)展大大減少了半導體芯片之間通信所需的I/O總數(shù),。但USR對傳輸距離的要求又阻礙了Chiplet的大規(guī)模集成。

　　（2）并行接口

　　用于Chiplet互連的通用并行接口包括英特爾的AIB/MDIO,，臺積電的LIPINCON,，ODSA的BoW等，專用于高帶寬存儲之間的互連,。

　　AIB/MDIO：AIB是英特爾推出的一種在小芯片之間傳輸數(shù)據(jù)的接口方案和互連標準。多年來,，英特爾一直在生產(chǎn)帶有AIB接口的產(chǎn)品,，在其Stratix 10 FPGA上就使用了AIB接口來集成多種不同的小芯片。

　　作為AIB的升級版本,，MIDO提供了更高的傳輸效率,，并且響應速度和帶寬密度是AIB的兩倍以上。AIB和MDIO技術(shù)主要適用于通信距離短,，損耗低的2.5D和3D封裝技術(shù),，例如EMIB、Foveros,。

　　英特爾聲稱MDIO和臺積電的LIPINCON水平相當（圖源：Intel）

　　LIPINCON：LIPINCON是臺積電多年前就開始研發(fā)的裸片之間數(shù)據(jù)互聯(lián)接口技術(shù),，通過使用先進的基于硅的互連封裝技術(shù)（例如InFO、CoWoS）和時序補償技術(shù),，為Chiplet提出的高性能互連接口,。LIPINCON可以在沒有PLL/DLL的情況下降低功耗和占用面積。LIPINCON接口包含兩種類型的PHY：PHYC和PHYM,，分別用于SoC芯片和存儲器/收發(fā)器芯片,。

　　BoW：ODSA正在定義一個名為Bunch of Wires （BoW）的芯片到芯片接口。BoW接口專注于解決基于有機基板的并行互連問題,，BoW有BoW Base,，BoW-Fast和BoW-Turbo三種類型，支持不同的傳輸距離和傳輸效率,。此外,，BoW支持向后兼容，并且對芯片工藝和封裝技術(shù)的限制較少,，不依賴于先進的基于硅的互連封裝技術(shù),，具有廣泛的應用范圍。

　　此外,，HBM（High Bandwidth Memory）接口也屬于并行接口,，專門用于存儲器件與die互連的標準,。

　?。?）其它接口

　　原則上來講，通過適應底層物理層（PHY）,，可以將傳統(tǒng)接口標準（例如以太網(wǎng)MAC，PCIe等）用于鏈路層的Chiplet傳輸,。Tilelink接口協(xié)議,、CCIX接口標準以及ISF接口協(xié)議等,，都能夠支持Chiplet的芯片對芯片互連。

　　能夠看到,，以上的接口方案都是根據(jù)特定的互連要求進行的設(shè)計,，有各自的優(yōu)缺點。在大多數(shù)情況下,，Chiplet互連解決方案與特定應用直接相關(guān)。并行接口如BoW,、AIB,、HBM能夠提供低功耗,、低延遲和高帶寬，但代價是需要在裸片之間連接許多線路,，只有使用昂貴的插接器或橋接技術(shù)才能滿足布線要求；相對于并行接口,，SerDes提供了類似的帶寬,，減少了通信所需的I/O總數(shù)和線路長度,，但是會增加一些額外的功耗和延遲。

　　因此,，Chiplet設(shè)計人員在選擇die-to-die互連之前,，要根據(jù)實際應用需求,、約束條件和芯片特性,，充分考慮其應用的相關(guān)要求，選擇合適的接口來實現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化的目標,。

　　Chiplet互連的布局與嘗試

　　從行業(yè)發(fā)展來看,，第一批基于小芯片的設(shè)計是將芯片到芯片互連與自有設(shè)備的專有接口相結(jié)合,。然而，除了自有產(chǎn)品外,，供應商可能想要使用另一家公司的die,，但大多數(shù)公司可能不愿意分享芯片的內(nèi)部工作原理,。

　　因此,，如何將一家公司的芯片共享給另一家公司,？如何將多個不同來源的die之間進行連接和通信,？都成了擺在Chiplet面前的挑戰(zhàn)。行業(yè)需要具有開放的互連接口,，使不同的芯片能夠相互通信。

　　到目前為止,，上文提到的英特爾開發(fā)的高級接口總線 （AIB），是市場上為數(shù)不多的開放接口之一,，在DARPA的CHIPS項目支持下，英特爾向相關(guān)供應商提供了免費的AIB接口許可,，許多不同企業(yè)及高校正在用AIB打造小芯片系統(tǒng),。如果AIB未來能夠成為業(yè)界的標準（類似Arm的AMBA總線標準）,，則將能大大加速Chiplet模式更快的普及,。

　　當然,，供應商需要的不止一種芯片到芯片互連方案。除了上述提到的幾種,，其他互連技術(shù)也正在研發(fā)中,，行業(yè)廠商在紛紛布局：

　　Marvell在推出模塊化芯片架構(gòu)時采用了Kandou總線接口；

　　AMD推出的Infinity Fabrie總線互聯(lián)技術(shù),，以及用于存儲芯片堆疊互聯(lián)的HBM接口,；

　　Xilinx正在開發(fā)OpenHBI，一種源自HBM標準的片間互連/接口技術(shù),；

　　Momentum 正在推動銅混合鍵合,，使用微小的銅對銅連接來連接封裝中的芯片；

　　NVIDIA推出的用于GPU的高速互聯(lián)NVLink方案,；

　　光互連論壇正在開發(fā)一種稱為CEI-112G-XSR的技術(shù),，為小芯片實現(xiàn)高速傳輸?shù)男酒叫酒B接；

　　這些都是產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)在致力Chiplet實現(xiàn)高速互聯(lián)上的不同嘗試,。

　　此外,，ODSA也正在研究多種技術(shù)，包括標準芯片到芯片接口,、參考設(shè)計和工作流程,，致力于小芯片設(shè)計交換 （Chiplet Design Exchange：CDX） 的早日實現(xiàn)，即可以靈活交易來自不同供應商認證過的小芯片,。

　　ODSA表示：“我們正在編寫一份CDX白皮書,，該白皮書將為業(yè)界提供有關(guān)構(gòu)建小芯片模型的指南,。其中，建模的一致性是開發(fā)組件能夠在市場上交易的關(guān)鍵,。但是實現(xiàn)這一目標需要時間和資源,，至少在兩三年內(nèi)不會出現(xiàn)小芯片的公開交換?！?/p>

　　可見,，統(tǒng)一接口和標準對于Chiplet系統(tǒng)至關(guān)重要，但仍有較長的路要走,。

　　圖源：知乎

　　國內(nèi)方面,，也有廠商在此展開動作。芯動科技推出了國產(chǎn)自主標準的INNOLINK Chiplet IP和HBM2E等高性能計算平臺技術(shù),，支持高性能CPU/GPU/NPU芯片和服務(wù)器,；為了讓IP更具象、更靈活的被應用在Chiplet里面,，芯原提出了IP as a Chip（IaaC）的理念,，旨在以Chiplet實現(xiàn)特殊功能IP從軟到硬的“即插即用”，解決7nm,、5nm及以下工藝中性能與成本的平衡，并降低較大規(guī)模芯片的設(shè)計時間和風險,。

　　此外,，在2020年全球硬科技創(chuàng)新大會上，業(yè)內(nèi)公司和專家共同啟動了Chiplet產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟,，旨在聯(lián)合AI產(chǎn)業(yè)相關(guān)的學術(shù)界,、產(chǎn)業(yè)界等各方重要力量，共同制定全球Chiplet互聯(lián)標準,、共建Chiplet開放平臺,，助推Chiplet產(chǎn)業(yè)生態(tài)繁榮。

　　在Chiplet這塊待開墾肥田沃土上,，國內(nèi)外企業(yè)都在加速布局,。

　　寫在最后

　　開發(fā)通用接口是一項艱巨的任務(wù)，因為要考慮各種因素,，并且并非所有應用程序都以相同的方式和標準權(quán)衡利弊,，成本、面積,、功耗,、帶寬、時延,、距離,、良率,、可伸縮性以及在不同節(jié)點中實現(xiàn)的能力等等，還有EDA工具,，更有標準和產(chǎn)業(yè)鏈生態(tài)圈的問題,，都是接口技術(shù)要考慮的因素。

　　從行業(yè)現(xiàn)狀來看,，當前主流廠商都正在建立獨自的專有標準,，然后致力于將自己的標準向全行業(yè)普及。相信未來隨著生態(tài)系統(tǒng)的不斷發(fā)展,，對標準的需求的不斷提升,，自然會有一部分標準走到前列，影響到行業(yè),。大家都期待著自己能夠在這個過程中走得更快,，走得更遠。

　　一種新的技術(shù)不會是一蹴而就的,，其突破性發(fā)展需要包括市場的,、技術(shù)的、戰(zhàn)略的等在內(nèi)的各種契機,。Chiplet技術(shù)不止是技術(shù)層面突破的方向之一,，也是行業(yè)領(lǐng)頭者保持先進的策略，更是后發(fā)者,，尤其在面臨種種發(fā)展限制下的選擇,，有多少被期許，就有多少待攻克,。