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摩爾定律失效，芯片性能提升遇瓶頸 作者：芯耀輝 公司 在探討Chiplet(小芯片)之前，摩爾定律是繞不開的話題。戈登·摩爾先生在1965 年提出了摩爾定律：每年單位面積內(nèi)的晶體管數(shù)量會(huì)增加一倍，性能也會(huì)提升一倍。這意味著，在相同價(jià)格的基礎(chǔ)上，能獲得的晶體管數(shù)量翻倍。不過，摩爾先生在十年后的1975年，把定律的周期修正為24個(gè)月。至此，摩爾定律已經(jīng)影響半導(dǎo)體行業(yè)有半個(gè)世紀(jì)。 
隨著集成電路技術(shù)的不斷演進(jìn)，半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)現(xiàn)摩爾定律在逐漸失效。上圖右上部分是英特爾x86 CPU 1970-2025年的演化歷史，可看出每顆芯片的晶體管數(shù)量持續(xù)增加(右上深藍(lán)色線條)，但時(shí)鐘速度(右上天藍(lán)色線條)和熱設(shè)計(jì)功耗(右上灰色線條)自2005年之后就變化不大。于此同時(shí)，受先進(jìn)工藝高成本支出的影響，晶體管成本降幅在2012年后趨緩，甚至越往后還有成本增加的趨勢(shì)。 從上圖右下的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可看出，芯片制程在持續(xù)微縮和演進(jìn)，晶體管數(shù)也在相應(yīng)的增長(zhǎng)。在2019年以前，單芯片晶體管數(shù)量和工藝幾何尺寸演進(jìn)，一直與摩爾定律高度相關(guān)。因?yàn)閱挝幻娣e內(nèi)的晶體管數(shù)量，每一周期就會(huì)增加一倍，所以在理想情況下，Die的尺寸可保持不變。但是據(jù)右下綠色標(biāo)識(shí)的區(qū)域顯示，可以看到單芯片Die尺寸在日趨增大，這也從另一個(gè)角度說明，單芯片晶體管數(shù)量的增加，也有Die增大的原因所致。由于Die尺寸的增長(zhǎng)，受光罩尺寸、工藝良率等因素制約，這代表通過加大Die Size來提升單芯片算力已經(jīng)越來越困難。 總而言之，隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展和演進(jìn)，每24個(gè)月已經(jīng)很難讓單位面積內(nèi)的晶體管數(shù)量翻倍。這意味著，現(xiàn)在芯片性能的提升遭遇了瓶頸，性能無法單純由工藝技術(shù)驅(qū)動(dòng)，也需要由架構(gòu)創(chuàng)新來驅(qū)動(dòng)。因此，業(yè)界必須找到新的解決方案。 Chiplet幫助芯片生產(chǎn)降本增效
在摩爾定律逐漸失效的情況下，Chiplet技術(shù)在半導(dǎo)體行業(yè)應(yīng)運(yùn)而生。整體來看，Chiplet具備高集成度、高良率、低成本三大特點(diǎn)，它被視為延續(xù)摩爾定律的關(guān)鍵技術(shù)。 曾克強(qiáng)介紹說，Chiplet通過多個(gè)芯片的片間集成，可以突破傳統(tǒng)單芯片的上限，進(jìn)一步提高芯片的集成度。比如，左上圖的單片集成的SoC是通過統(tǒng)一工藝制程，導(dǎo)致芯片上各個(gè)部分都要同步進(jìn)行迭代，其開發(fā)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)三至四年，缺陷數(shù)量可達(dá)數(shù)百個(gè)。左上圖的單獨(dú)IP集成Chiplet通過將不同的功能切開，再對(duì)部分單元的工藝做選擇性迭代，迭代裸片后可制造出下一代產(chǎn)品，這樣就能加速產(chǎn)品的上市周期。Chiplet芯片集成應(yīng)用較為廣泛和成熟的裸片，就有效降低了Chiplet芯片研制風(fēng)險(xiǎn)，也減少了重新流片和封裝的次數(shù)，進(jìn)而能為芯片企業(yè)節(jié)省研發(fā)投入。 Chiplet可以提升復(fù)雜SoC芯片的良率，該方案將復(fù)雜SoC芯片分成更小的芯片。單芯片的面積越大其良率越低，它對(duì)應(yīng)的芯片制造成本也就越高，芯片設(shè)計(jì)成本也會(huì)隨著制程的演進(jìn)而成本增長(zhǎng)，切割小芯片可有效降低芯片設(shè)計(jì)成本。此外，在SoC設(shè)計(jì)中，模擬電路、大功率IO對(duì)制程并不敏感，不需要太高端的芯片制程，可將SoC中的功能模塊，劃分成單獨(dú)的Chiplet，針對(duì)功能來選擇合適的制程，從而讓芯片實(shí)現(xiàn)最小化，提高芯片的良率、降低芯片成本。
Chiplet有兩個(gè)常見的應(yīng)用案例：同構(gòu)(聚合系統(tǒng))和異構(gòu)(分割系統(tǒng))。同構(gòu)是通過高速接口和先進(jìn)的封裝技術(shù)，適用于CPU、TPU、AI SoC等，這種方式是將多個(gè)Die緊密相連，以相同的Die設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)計(jì)算能力的擴(kuò)展，其接口要求低延遲和低誤碼率；異構(gòu)是將芯片按功能拆分，先進(jìn)制程的Die提供高算力和性能，成熟制程的Die負(fù)責(zé)常規(guī)或者特色的功能，這些不同制程的Die被封裝在一起。 在使用案例方面，AMD服務(wù)器CPU Epyc系列的第一代和第二代，分別采用了同構(gòu)和異構(gòu)的方法。第一代Epyc采用7nm制程，利用同構(gòu)方法聚合4個(gè)相同的Die，該系統(tǒng)可擴(kuò)展，只需多個(gè)Die的互聯(lián)，即可提高計(jì)算能力；第二代 Epyc將芯片功能拆分為CCD運(yùn)算Die(Compute Core Die)和IO Die，通過異構(gòu)方法它們集成到一起，實(shí)現(xiàn)了先進(jìn)工藝與成熟工藝的巧妙融合。 通過高速接口和先進(jìn)封裝技術(shù)，把多顆Die融合在一顆大芯片內(nèi)，以此來實(shí)現(xiàn)算力的擴(kuò)展，這適用于CPU、FPGA、通信芯片等產(chǎn)品。同時(shí)，Chiplet也對(duì)接口提出了標(biāo)準(zhǔn)化、兼容性、可移植性的要求，要具備低延時(shí)和低誤碼率的優(yōu)勢(shì)，廠商選擇接口時(shí)還需考慮生態(tài)系統(tǒng)問題。 曾克強(qiáng)總結(jié)說：“Chiplet可提升大芯片設(shè)計(jì)良率，降低芯片研發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)，縮短芯片的上市時(shí)間，還可增加芯片產(chǎn)品組合，延長(zhǎng)產(chǎn)品生命周期。因此，它被視為有效延續(xù)摩爾定律的新方式。” Chiplet的發(fā)展趨勢(shì)及生態(tài)布局
Chiplet應(yīng)用在芯片中的時(shí)間還不長(zhǎng)，但自2020年開始其發(fā)展就非常快，年復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)到36.4%。預(yù)測(cè)到2031年，全球Chiplet行業(yè)市值有望達(dá)到470億美元(上圖左邊)。 因?yàn)镃hiplet把芯片切分成不同的小芯片并互聯(lián)，所以相關(guān)接口IP市場(chǎng)也有新的需求。上圖右邊是各類傳統(tǒng)接口IP市場(chǎng)的發(fā)展趨勢(shì)，藍(lán)色方塊體現(xiàn)了小芯片互聯(lián)接口IP的趨勢(shì)。雖然小芯片互聯(lián)接口IP的發(fā)展時(shí)間較短，但是其增長(zhǎng)速度最為迅猛，預(yù)計(jì)從2021年到2026年，年復(fù)合增長(zhǎng)率會(huì)高達(dá)50%。至2026年，全球產(chǎn)值將達(dá)3.2億美元。 Chiplet技術(shù)需要切分、堆疊整合，該技術(shù)將推動(dòng)芯片產(chǎn)業(yè)鏈的變革。曾克強(qiáng)預(yù)測(cè)，Chiplet的發(fā)展將分為幾個(gè)階段：2023年之前的兩三年是Chiplet生態(tài)早期階段，芯片公司對(duì)芯片進(jìn)行分拆，并尋找先進(jìn)封裝組合，各家都按自己的定義協(xié)議來做產(chǎn)品，該階段并未形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。 進(jìn)入到2023年，隨著工藝制程進(jìn)入3納米接近物理極限，摩爾定律失效越來越明顯，而摩爾先生的去世，似乎也在印證舊時(shí)代正在落幕。與此同時(shí)，屬于Chiplet的新時(shí)代正在開啟。設(shè)計(jì)廠商對(duì)自己設(shè)計(jì)的Chiplet進(jìn)行自重用和自迭代，同時(shí)工藝逐漸成型，互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)日趨統(tǒng)一。 預(yù)計(jì)到2027年，Chiplet生態(tài)將進(jìn)入成熟期，真正進(jìn)入IP硬化時(shí)代。屆時(shí)，會(huì)誕生一批新公司：Chiplet小芯片設(shè)計(jì)公司、集成小芯片的大芯片設(shè)計(jì)公司、有源基板供應(yīng)商、支持集成Chiplet的EDA公司。
主要有四個(gè)重要角色參與Chiplet生態(tài)鏈：EDA供應(yīng)商，IP廠商，封裝廠，F(xiàn)ab廠。尤其對(duì)于IP供應(yīng)商而言，基于IP復(fù)用的模式，設(shè)計(jì)能力較強(qiáng)的IP供應(yīng)商有潛力演變?yōu)镃hiplet供應(yīng)商。而IP供應(yīng)商也需要具備高端芯片的設(shè)計(jì)能力，以及多品類的IP布局和平臺(tái)化的運(yùn)作能力，以上都對(duì)IP供應(yīng)商提出了更高的要求。又由于Chiplet加入了更多的異構(gòu)芯片和各類總線，相應(yīng)的EDA覆蓋工作就變得更加復(fù)雜，需要更多的創(chuàng)新功能。國(guó)內(nèi)EDA企業(yè)需要提升相關(guān)技術(shù)，應(yīng)對(duì)堆疊設(shè)計(jì)帶來的諸多挑戰(zhàn)，例如對(duì)熱應(yīng)力、布線、散熱、電池干擾等的精確仿真，在封裝方面需要2.5D和3D先進(jìn)封裝技術(shù)支持，同時(shí)Fab方面也需要相關(guān)技術(shù)的支持。
經(jīng)過了幾年的發(fā)展，國(guó)際上出現(xiàn)了一些Chiplet標(biāo)準(zhǔn)，主流標(biāo)準(zhǔn)包括XSR、BOW、OpenHBI、UCIe(詳見上圖右表)。右表中的綠色代表技術(shù)優(yōu)勢(shì)，紅色代表劣勢(shì)。可以看出UCIe標(biāo)準(zhǔn)在多個(gè)角度都占據(jù)優(yōu)勢(shì)，它定義了邏輯 PHY、訓(xùn)練機(jī)制、初始化序列、邊帶和鏈路控制。此外，它還重用了成熟的PCIe和CXL生態(tài)系統(tǒng)，這將加快這一新標(biāo)準(zhǔn)的采納，并得到代工廠、封裝廠、無晶圓廠和系統(tǒng)公司的支持。 從左側(cè)的圖表中可以看出，UCIe提供了最高帶寬、最佳能效比和最低延遲的最佳組合。具體來看，UCIe定義了完整的協(xié)議層，繼承了CXL和PCIe生態(tài)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。UCIe 16G將主導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)封裝和先進(jìn)封裝行業(yè)，UCIe 32G將在更先進(jìn)封裝工藝和高端應(yīng)用方面將被采納。 如何解決Chiplet面臨的挑戰(zhàn)
Chiplet的發(fā)展剛起步不久，還面臨著非常多的挑戰(zhàn)，它需要產(chǎn)業(yè)鏈及技術(shù)升級(jí)配合。這些挑戰(zhàn)主要分為兩大類：上圖藍(lán)色部分展示的是多個(gè)Chiplet堆疊整合的挑戰(zhàn)，綠色部分是怎么系統(tǒng)分割設(shè)計(jì)方面的挑戰(zhàn)。 堆疊整合往下還細(xì)分為封裝技術(shù)、電路設(shè)計(jì)、協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)三方面的挑戰(zhàn)。 首先，Chiplet技術(shù)把單個(gè)大硅片“切”成多個(gè)小芯片，再把這些小芯片封裝在一起，單顆硅片上的布線密度和信號(hào)傳輸質(zhì)量遠(yuǎn)高于不同小芯片，這就要求必須要發(fā)展出高密度、大帶寬布線的先進(jìn)封裝技術(shù)，盡可能提升在多個(gè)Chiplet之間布線的數(shù)量并提升信號(hào)傳輸質(zhì)量。Intel和臺(tái)積電都已經(jīng)有了相關(guān)的技術(shù)儲(chǔ)備，通過中介層(Interposer)將多個(gè)Chiplet互連起來，目前這些技術(shù)仍在不斷演進(jìn)中，并在不斷推出更新的技術(shù)。 其次，用于Chiplet之間的高速通信接口電路設(shè)計(jì)。Chiplet之間的通信雖然可以依靠傳統(tǒng)的高速Serdes電路來解決，甚至能完整復(fù)用PCIe這類成熟協(xié)議。但這些協(xié)議主要用于解決芯片間甚至板卡間的通信，在Chiplet之間通信用會(huì)造成面積和功耗的浪費(fèi)。 再次，通信協(xié)議是決定Chiplet能否“復(fù)用”的前提條件。Intel公司推出了AIB協(xié)議、TSMC和Arm合作推出LIPINCON協(xié)議，但在目前Chiplet仍是頭部半導(dǎo)體公司才會(huì)采用的技術(shù)，這些廠商缺乏與別的Chiplet互聯(lián)互通的動(dòng)力。目前，UCIe聯(lián)盟最重視協(xié)議，如果實(shí)現(xiàn)了通信協(xié)議的統(tǒng)一，IP公司就有可能實(shí)現(xiàn)從“賣IP”到“賣Chiplet”的轉(zhuǎn)型。 先進(jìn)封裝解決了如何“拼”的問題，更重要的是要解決如何“切”的問題。英偉達(dá)在決策下一代GPU要采用Chiplet技術(shù)時(shí)，思考和驗(yàn)證如何把完整的大芯片設(shè)計(jì)劃分成多個(gè)Chiplet，這其實(shí)是設(shè)計(jì)方法學(xué)的初步體現(xiàn)。要讓基于Chiplet的設(shè)計(jì)方法從“可用”變?yōu)椤昂糜谩?需要定義完整的設(shè)計(jì)流程，以及研制配套的設(shè)計(jì)輔助工具。
在中國(guó)發(fā)展Chiplet面臨哪些挑戰(zhàn)？從技術(shù)上面看來，中國(guó)現(xiàn)在產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展最大的挑戰(zhàn)是技術(shù)封鎖，由封鎖所帶來的自主需求也是一大機(jī)遇。在單位硅片面積上增加晶體管數(shù)量有困難，轉(zhuǎn)而追求在單個(gè)封裝內(nèi)部持續(xù)提升晶體管數(shù)，這也是目前發(fā)展Chiplet技術(shù)對(duì)國(guó)內(nèi)芯片產(chǎn)業(yè)的最大意義。 但是現(xiàn)在我們?nèi)匀狈Ρ匾夹g(shù)、經(jīng)驗(yàn)、標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議、人才、知識(shí)產(chǎn)權(quán)和專利積累，而且中國(guó)芯片公司的規(guī)模都不大，無法單靠某一家或某幾家公司來打造Chiplet生態(tài)。這需要不同的公司分工合作，共同打造Chiplet產(chǎn)業(yè)鏈。 中國(guó)要發(fā)展自己的Chiplet生態(tài)鏈就需要有自己的標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)內(nèi)的CCITA聯(lián)合集成電路企業(yè)和專家，共同主導(dǎo)定義了小芯片接口總線技術(shù)要求，這是中國(guó)首個(gè)原生Chiplet標(biāo)準(zhǔn)，在去年12月15日通過了工信部電子工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)協(xié)會(huì)的審定并發(fā)布。 該標(biāo)準(zhǔn)與UCIe主要有兩大區(qū)別：UCIe只定義了并口，CCITA的Chiplet標(biāo)準(zhǔn)既定義了并口，也定義了串口，兩者的協(xié)議層自定義數(shù)據(jù)包格式也不同，但CCITA的標(biāo)準(zhǔn)與UCIe兼容，可直接使用已有生態(tài)環(huán)境。在封裝層面，UCIe支持英特爾先進(jìn)封裝、AMD封裝，CCITA定義的Chiplet標(biāo)準(zhǔn)主要采用國(guó)內(nèi)可實(shí)現(xiàn)的封裝技術(shù)。 芯耀輝的接口IP方案 據(jù)曾克強(qiáng)介紹說，芯耀輝參與協(xié)議組織推動(dòng)Chiplet發(fā)展，作為重點(diǎn)貢獻(xiàn)企業(yè)參與了標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議制定與推廣，以此確保其產(chǎn)品和研發(fā)能力始終走在產(chǎn)業(yè)發(fā)展最前沿，依靠對(duì)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議深度理解，能給產(chǎn)業(yè)帶來更多優(yōu)秀的IP產(chǎn)品。
比如，芯耀輝D2D IP把互連擴(kuò)展到短距離PCB，以滿足中國(guó)本地市場(chǎng)需求。D2D IP解決方案涵蓋綠色箭頭所示的全部封裝類型，與目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)加工能力高度適配，目前112G PAM4測(cè)試芯片已經(jīng)成功實(shí)測(cè)。 曾克強(qiáng)表示，Chiplet不只是簡(jiǎn)單的IP技術(shù)，也包括整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)測(cè)試，比如子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、封裝設(shè)計(jì)、PCB設(shè)計(jì)、ATE測(cè)試等等。芯耀輝從一開始做IP設(shè)計(jì)時(shí)，就把SoC集成、系統(tǒng)應(yīng)用需求及下游封裝測(cè)試等對(duì)Chiplet的要求轉(zhuǎn)化為對(duì)IP設(shè)計(jì)規(guī)格的要求，一開始就考慮到后端要實(shí)現(xiàn)Chiplet所需要的特性，從IP源頭來解決這些挑戰(zhàn)。比如說從控制器、PHY、子系統(tǒng)方面來實(shí)現(xiàn)高性能、低功耗、低延遲，一般供應(yīng)商會(huì)追求最佳的PPA，但客戶產(chǎn)品應(yīng)用不一樣對(duì)PPA的需求也不一樣，所以我們提供可靈活配置的PHY，更適配客戶的特定應(yīng)用，幫助不同的客戶都能得到適合自己的最佳PPA。并且對(duì)關(guān)鍵的與頻率相關(guān)的部分，我們提供的都是硬核，保證客戶的時(shí)序收斂。另外，我們?cè)赑HY中還嵌入了許多在Silicon之后的測(cè)試功能，特別是大家都關(guān)注的KGD(Know Good Die)測(cè)試，因?yàn)樵谝粋�(gè)封裝里面多個(gè)Die互聯(lián)以后，沒法像常規(guī)芯片一樣放探針來確定里面的Die是否正常工作或者Die與Die之間的互聯(lián)是否出現(xiàn)短路，所以我們的PHY提供了豐富的D2D KGD測(cè)試功能。還有控制器和子系統(tǒng)也是如此，我們都是在IP設(shè)計(jì)的源頭就來解決這些挑戰(zhàn)，而不是將挑戰(zhàn)推向系統(tǒng)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)測(cè)試以適應(yīng)IP。這樣就提供了完整的解決方案，加快客戶芯片上市時(shí)間和一次流片成功率。 目前，D2D IP已經(jīng)實(shí)現(xiàn)客戶項(xiàng)目的成功量產(chǎn)，主要有數(shù)據(jù)中心、5G、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)應(yīng)用，客戶項(xiàng)目導(dǎo)入的實(shí)例類似AMD第一代服務(wù)器，采用的是同構(gòu)聚合方式來實(shí)現(xiàn)多個(gè)Die的互聯(lián)。 |
