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小芯片时代来了！

宣布日期：

2020-05-28

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小芯片时代来了！

? 10nm、7nm、5nm……随着芯片制程节点越来越先进，研爆发产本钱一连走高，而良率日益下降，物理瓶颈正拖累摩尔定律的脚步。

? 像搭乐高积木一样的小芯片（Chiplet）正成为AMD、英特尔、台积电、Marvell、Cadence等芯片巨头为摩尔定律续命的配合选择之一。

小芯片时代来了！

? 以前芯片由多个IP焦点集成后统一封装成单片芯片，而小芯片要领可未来自差别公司设计和封装的小芯片组合在一起，从而构建更为高效和经济的芯片系统。

? 这种新型设计要领不但能大大简化芯片设计重漂后，还能有用降低设计和生产本钱。

? 着名市场研究机构Omdia展望，小芯片将在2024年全球市场规模扩大到58亿美元，较2018年的6.45亿美元增添9倍。而久远来看，2035年小芯片市场规模有望增至570亿美元。

小芯片时代来了！

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?▲2018-2024年全球小芯片市场收入

? 围绕小芯片的新战事，正在将芯片性能进化引向更具经济效益的未来。

01

续命摩尔定律！小芯片时代来了

? 55年前，被推许为芯片界“圣经”的摩尔定律预言：当价钱稳固时，集成电路上可容纳的晶体管数目每隔18-24个月会增添一倍，性能也随之提升一倍。

? 昔时摩尔定律的泛起设定了极为要害的手艺生长节奏基准，催化了科技市场欣欣向荣，为整个IT行业带来了难以估量的经济价值。

? 使用先进节点的利益许多，晶体管密度更大、占用空间更少、性能更高、功率更低，但挑战也越来越难以战胜。

? 极小尺寸下，芯片物理瓶颈越来越难以战胜。尤其在近几年，先进节点走向10nm、7nm、5nm，问题就不再只是物理障碍了，节点越进化，微缩本钱越高，能扛住经济肩负的设计公司越来越少。

小芯片时代来了！

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?▲随着制程节点进化，芯片本钱快速增添

? 凭证果真报道，28nm节点设计本钱约为5000万美元，而到5nm节点，设计总本钱已经飙高到逾5亿美元，相当于逾35亿人民币。

? 而守住摩尔定律，关乎利润最大化，若是研发和生产本钱降不下来，那么关于芯片巨头和首创公司来说都将是糟糕的经济肩负。

? 幸运的是，每当摩尔定律被唱衰将走到止境，总会引发出科学家和工程师们立异构想，提着力挽狂澜的突破性手艺，将看似走向终结的摩尔定律一再推向远方。

? 基于小芯片的�？榛杓�，正是其中解决本钱问题的一个极为要害的构想。

02

小芯片的三大价值：开发快、本钱低、功效多

? 目今芯片设计模式常从差别IP供应商购置软核IP或硬核IP，再团结自研�？檐鲚统梢桓銎舷低常⊿oC），然后以某个制造工艺节点生产出芯片。

? 而小芯片通过先进封装手艺，能将多种差别架构、差别工艺节点、甚至来自差别代工厂的专用硅块或IP块集成在一起，可以跳过流片，快速定制出一个能知足多种功效需求的超等芯片产品。

小芯片时代来了！

▲由中介层上多个小芯片组成的小芯片系统（泉源：Cadence）

? 相比单片芯片，小芯片带来的利益是多重的。

? 首先，小芯片开发速率更快。

? 在效劳器等盘算系统中，电源和性能由CPU焦点缓和存支配。通过将内存与I/O接口组合到一个单片I/O芯片上，可镌汰内存与I/O间的瓶颈延迟，进而资助提高性能。

? 其次，小芯片的研发本钱更低。

? 由于小芯片是由差别的芯片�？樽楹隙�，设计者可在特定设计部分选用最先进的手艺，在其他部分选用更成熟、廉价的手艺，从而节约整体本钱。

? 例如，AMD第二代EPYC效劳器处理器Ryzen接纳小芯片设计，将更先进的台积电7nm工艺制造的CPU�？橛敫墒斓母衤薹降�12/14nm工艺制造的I/O�？樽楹�，7nm可知足高算力的需求，12/14nm则降低了制造本钱。

? 这带来的利益是，7nm制程部分的芯片面积大幅缩减，而接纳更成熟制程的I/O�？橛兄谡辶悸实奶嵘�，进一步降低晶圆代工本钱。综合来看，CPU焦点越多，小芯片组合的本钱优势越显着。

小芯片时代来了！

? 最后，小芯片能无邪知足差别功效需求。

? 一方面，小芯片计划具备优异的可扩展性。例如构建了一个基本die后，可能只用一个die可应用于条记本电脑，两个可应用于台式机，四个可应用于效劳器。

? ?另一方面，小芯片可以充当异构处理器，将GPU、清静引擎、AI加速器、物联网控制器等差别处理元素按恣意数目组合在一起，为种种应用需求提供更富厚的加速选择。

? 随着小芯片的优势逐渐显露，它正被微处理器、SoC、GPU和可编程逻辑装备（PLD）等更先进和高度集成的半导体装备接纳。

??凭证研究机构Omida统计，微处理器是小芯片最大的细分市场，支持小芯片的微处理器市场份额预计从2018年的4.52亿美元增添到2024年的24亿美元。

??同时，盘算领域将成为小芯片的主要应用市场，今年有望占有小芯片总收入的96%。

03

六年跋涉，从各自为营到走向标准化??

? 芯片巨头们对风向的转变尤为警醒，没有谁想从神坛上跌落。在守着最先进设计和制造手艺的同时，他们必需为自己提前探好新的可行之径。

? 也正由于云云，英特尔、AMD等芯片领军企业不但成为最早的小芯片接纳者和提倡者，也是推动小芯片标准化事情的焦点孝顺者。

? 早在2014年，华为海思与台积电曾相助秀出一款接纳台积电CoWoS手艺的网络芯片，将16nm 32核Arm Cortex-A57与28nm逻辑和I/O芯片组合在一起，在相同功耗下速率较28nm HPM提升40%。

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▲台积电CoWoS示例

? 2016年，Marvell和Kandou Bus宣布一项协议，Marvell接纳了Kandou Glasswing IP作为芯片到芯片的接口，将多个芯片相毗连。

? 美国国防部高级研究妄想局（DAPRA）则在2017年8月启动“通用异构集成及IP复用战略（CHIPS）”项目，这是DAPRA总投资15亿美元的“电子再起妄想（ERI）”中的一部分，意在促成一个兼容、�？榛⒖芍馗词褂玫男⌒酒低�。

?这些小芯片能将种种类型的第三方芯片像群集木一样快速混搭成一个系统，实现数据存储、信号处理、数据处理等富厚的功效，还能将电路板整体尺寸缩小到通例芯片巨细，从而提高能效。

小芯片时代来了！

? 理想状态下，借助小芯片要领，芯片设计公司只需专注于自己善于的IP，而不必担心其余IP，既有助于提升焦点立异能力，又经由多种IP设计分摊了研发本钱。

? DAPRA向英特尔、美康、Cadence、思诺思科技等芯片企业以及一些大型军工企业、高�？蒲型哦由斐鲩祥�，约请他们作为项目的主承包方。

? 作为CHIPS项目的焦点成员之一，英特尔推出高级接口总线（AIB），作为chiplet架构的免版税die-to-die接口标准。

? 例如，英特尔的Stratix 10、Agilex FPGA均使用相同的AIB接口来集成多种差别的小芯片。在CHIPS项目的支持下，许多差别企业及高校正在用AIB打造小芯片系统。

? 英特尔也是开放盘算项目开放特定域架构（OCP ODSA）基金会的成员，该基金会正在增进标准和手艺的生长，以资助实现高级封装战略。

? 英特尔将其效劳器处理器、FPGA、PC芯片等作为小芯片手艺的商业试炼场，AMD亦将小芯片用在了效劳器和客户端CPU中。

? 2017年，AMD在其Zen 2架构中用小芯片来开发Epyc效劳器处理器Naples，随后又在次年推出的企业级EPYC处理器Rome中支持8个小芯片，最多支持64个焦点。

小芯片时代来了！

? AMD在2019年推出的Zen 2处理器系列，单核性能首次凌驾英特尔。

04

粘连小芯片的要害“胶水”

? 详细打造小芯片系统的历程，可就不像搭乐高积木那么简朴了。

? 怎样选择差别小芯片的设计计划、怎样实现小芯片间的毗连等一系列权衡均会影响最终的处理速率、功耗和本钱。

? 其中，为了抵达靠近或媲美单片芯片的性能需求，肩负着“拼接”、“组装”功效的先进封装和互连手艺尤为主要。

? 高带宽互连手艺则在小芯片之间搭建了一条条“高速公路”，而2.5D、3D先进封装手艺能大幅缩减芯片尺寸，提供更优化的重大芯片集成计划。

? 这些手艺的一连演进，正为小芯片的兴起提供要害的手艺支柱。

小芯片时代来了！

1、AMD：Infinity Fabric与X3D

? AMD从第一代Zen架构处理器最先引入了自研芯片内、外部互连手艺Infinity Fabric（IF）。

? 该手艺集数据传输与控制于一体，由用于传输数据的Infinity Scalable Data Fabric（SDF）和认真控制的Infinity Scalable Control Fabric（SCF）两部分组成。

? IF总线可凭证差别SoC优化设置，不但能实现多个小芯片间的高速互连，也能实现效劳器中多个CPU插槽间的高速互连，第二代IF总线还能提供CPU到GPU的毗连，不过CPU到GPU的毗连仍然基于PCIe。

小芯片时代来了！

▲AMD先进封装手艺进化历程

? 在今年的财务剖析师聚会会议上，AMD透露了将于今年年底宣布的Zen 3架构处理器中，IF总线将升级到第三代，可实现CPU与GPU之间的内存一致性，通过镌汰数据移动进一步提升性能并减低延迟。

? 下一代IF被称为Infinity Architecture，总线带宽是PCIe 4.0的两倍，最多支持8个GPU芯片的毗连，并且还支持CPU到GPU的毗连，预计这将给未来的APU带来更大的性能提升。

小芯片时代来了！

▲AMD第三代IF总线性能

? 凭证AMD的路径妄想，首批Zen 3架构处理器将率先用于EPYC效劳器处理器中，之后再用于桌面处理器。

? 在此前的Zen架构上，AMD已实验过多种MCM（Multi-chip module）封装。

? 据悉，AMD妄想在未来的产品中引入一种团结2.5D和3D堆叠的新封装手艺X3D，详细详情尚未透露，预计会现身于Zen 4处理器。

? 2、英特尔：EMIB、Foveros、ODI

? 英特尔的高级封装产品包括2.5D EMIB、3D堆叠Foveros以及两者组合而成的Co-EMIB。

? 嵌入式多互连桥（EMIB）可以被看作将两个小芯片毗连在一起的高密度桥梁，在二维平面上实现Die-to-die的互连。

? 它是一块很是薄的硅中介层，微型凸点密度远高于标准封装基板。使用EMIB，可以准确在所需位置使用高密度互连，在其他位置用标准封装基板互连，这样就可以节约一定本钱。

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▲英特尔EMIB手艺

? 英特尔目今有两种基于EMIB的解决计划。

? （1）移动PC处理器Kaby Lake-G：用EMIB集成AMD Radeon GPU和HBM，然后在封装内用PCIe来集成GPU和英特尔CPU，从而实现更细密地协作和更小的尺寸。

? （2）Stratix 10 FPGA：中央FPGA周围有6个小芯片，包括4个高速收发器小芯片和2个高带宽存储小芯片。英特尔在示例中集成了来自3个差别代工厂的6个差别手艺节点。

? 阻止今年1月，英特尔已经出货了200万个基于EMIB封装的芯片。随着该手艺日益普及，其应用规模将笼罩至PC、效劳器、5G芯片、GPU显卡等。

? 除了EMIB外，英特尔还研发了3D封装手艺Foveros，通过硅通孔（TSV），能像盖屋子一样将逻辑芯片�？椴悴愣训�，不但将差别IP�？橛谢沤�，还节约了芯片空间，并包管功耗不会显著增添。

小芯片时代来了！

▲Lakefield内部架构

? 去年1月，英特尔宣布Lakefield移动处理器产品，它有两个有意思的手艺要点，一是有具有差别内核的big.little混淆系统架构，另一个即是小芯片设计。

? 在Lakefield中，盘算晶片（Compute die）认真盘算处理，接纳最先进的10nm、7nm、5nm工艺；基础晶片（Base die）主要实现I/O功效，性能相对不敏感，可接纳22nm等成熟制程工艺。

? 为了顺应更轻薄的物联网、边沿盘算等场景，英特尔推出的Co-EMIB将EMIB的横向拼接能力和Foveros的纵向叠加能力相团结，通过EMIB毗连多个3D Foveros芯片，制造出比单片芯片更大的无邪可扩展芯片设计，同时能实现近乎于SoC级高度整合的低功耗、高带宽、高性能体现。

? 在此基础上，英特尔提出全方位互连（ODI）微缩手艺，顶部芯片可像EMIB一样实现小芯片之间的水平通讯，也可以像Foveros一样通过硅通孔（TSV）与底层裸片举行笔直通讯，从而实现以前3D堆叠无法抵达的性能。

? 3、台积电：LIPINCON、CoWoS、SoIC

? 2019年6月，台积电在日本举行的超大规模集成电路钻研会（VLSI Symposium）时代展示了一颗自研7nm小芯片This。

小芯片时代来了！

? This尺寸为4.4x6.2mm，接纳CoWoS晶圆基底封装和双芯片结构，一个芯片内建4个Cortex A72焦点，另一个内建6MiB三缓。同时，台积电还开发了称之为LIPINCON互连手艺，信号数据速率8GT/s。

? Chip-on-Wafer-on-Substrate（CoWoS）是台积电设计的基于2.5D晶圆级多芯片封装手艺，各芯片通过硅中介层上的微型凸块团结在一起，形成晶圆上芯片（CoW），然后将CoW减薄，露出TSV通孔。

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▲台积电CoWoS

? CoWoS和InFO均为2.5D封装手艺，前者着重于高端市场，连线数目偏多，后者针对高性价比市场，连线数目相对较少。

? 基于CoWoS与多晶圆堆叠（WoW，Wafer on wafer）手艺，台积电研发了新一代3D封装手艺SoIC，可将差别尺寸、制程工艺及质料的小芯片组合。

? 相较古板3D封装手艺，SoIC的凸块密度和传输本钱更高，功耗更低，且能通过与CoWoS或InFO手艺整合其他芯片，打造3D x 3D系统级解决计划。

? 4、CEA-Leti：有源中介层

? 在今年的IEEE固态电路聚会会议（ISSCC）上，法国研究机构CEA-Letu用6个16核小芯片创立了一个96核处理器，算力抵达220 GOPS，功率为156mW。

小芯片时代来了！

? 硅中介层和嵌入式硅桥是知足数据速率和延迟需求的要害手艺。此前常用于小芯片集成的大规模中介层手艺有2.5D无源中介层、有机衬底和硅桥等。

? 这些手艺普遍保存的弱点是不可实现无邪的远距离小芯片间通讯，因而难以毗连更多小芯片。它们还难以实现异构小芯片的平滑集成和低扩展功效的轻松集成。

? 对此，CEA-Leti引入了有源中介层（active interposer）手艺和3D堆叠手艺来战胜这些限制，以实现大规模盘算系统的设计。

? 该芯片将6个接纳意法半导体28nm FDSOI制造工艺的小芯片堆叠在一个到200mm?的有源中介层上，该中介层将直通硅通孔（TSV）嵌入到65nm手艺节点。

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▲CEA-Leti芯片显微照片、3D截面、封装和手艺功效

? 每个小芯片包括16个MIPS32v1焦点，有源中介层集成了开关电容器稳压电路、无邪的漫衍式互联和将内核的片上存储器各个部分毗连在一起的网络，可提供节能的多核盘算架构。

? 整个系统架构在所有小芯片盘算区块之间提供了完全可扩展的漫衍式缓存一致性架构，这些架构通过运动中介层互连。该架构允许通过缓存条理结构轻松安排软件，从而实现高达512核的完整系统可扩展性。

? CEA-Leti的科学总监Pascal Vivet以为，差别供应商的小芯片接口未必兼容，需要一种能将它们粘合在一起的新要领，而有源中介层是小芯片手艺的最佳选择。

?05

结语：通向下一节点的低本钱路径

? 小芯片并非完善的，现在在小芯片探索的蹊径上，流量拥堵、散热、电源治理、测试等问题均是系统架构设计仍待战胜的主要挑战。

? 只管有DAPRA CHIPS、OCP ODSA等项目在着力推进小芯片接口标准化，但自力第三方小芯片供应的商业模式何时能在芯片工业中普及，目今尚未可知。

? 也许任何一种要领很难“单枪匹马”就拯救摩尔定律，但不可否定的是，小芯片这种新兴要领正在改变芯片的设计和集成战略，以更无邪的混淆搭配系统计划，为芯片公司提供了迁徙到下一个节点的低本钱路径。

? 处于这样一场新革命的起源，无疑是一件激感人心的事。

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