UCIe封裝與異構(gòu)算力集成技術(shù)詳解

UniversalChiplet Interconnect Express (UCIe) 是一個(gè)開放的行業(yè)互連標(biāo)準(zhǔn)，可以實(shí)現(xiàn)小芯片之間的封裝級(jí)互連，具有高帶寬、低延遲、經(jīng)濟(jì)節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)。能夠滿足整個(gè)計(jì)算領(lǐng)域，包括云端、邊緣端、企業(yè)、5G、汽車、高性能計(jì)算和移動(dòng)設(shè)備等，對(duì)算力、內(nèi)存、存儲(chǔ)和互連不斷增長的需求。UCIe 具有封裝集成不同Die的能力，這些Die可以來自不同的晶圓廠、采用不同的設(shè)計(jì)和封裝方式。

實(shí)現(xiàn)Chiplets封裝集成的動(dòng)機(jī)有很多。為了滿足不斷增長的性能需求，芯片面積不斷增加，有些設(shè)計(jì)甚至?xí)鲅谀０婷娣e的限制，比如具有數(shù)百個(gè)核心的多核 CPU，或扇出非常大的交換[曹1]?電路（Switch）。即使在設(shè)計(jì)不超過面積限制的情況下，改用多個(gè)小芯片集成封裝的方式也更有利于提升良率，實(shí)現(xiàn)芯片的跨市場復(fù)用。另外，多個(gè)相同Die的集成封裝能夠適用于大規(guī)模的應(yīng)用場景。

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圖1：UCIe開啟開放式封裝級(jí)生態(tài)系統(tǒng)交付平臺(tái)

實(shí)現(xiàn)Chiplet封裝集成的另一個(gè)動(dòng)機(jī)是為了從產(chǎn)品和項(xiàng)目的角度降低整體投資組合成本，并搶占產(chǎn)品市場。例如，圖 1 所示的處理器核心可以最先進(jìn)的工藝節(jié)點(diǎn)，用更高的成本換取極致的節(jié)能性能，而內(nèi)存和 I/O 控制器功能可以復(fù)用已經(jīng)建立好的舊工藝節(jié)點(diǎn)（n -1 或 n-2)。采用這種劃分方式，可以減小Die的面積，從而提高產(chǎn)量。如圖 2 所示，跨工藝節(jié)點(diǎn)的 IP 移植成本很高，而且隨著工藝節(jié)點(diǎn)的進(jìn)步，該成本增長非常迅速。若采用多Die集成模式，由于Die的功能不變，我們不必對(duì)其IP進(jìn)行移植，便可在節(jié)省成本的同時(shí)實(shí)現(xiàn)搶占市場的可能。Chiplet封裝集成模式還可以使用戶能夠自主選擇Die的數(shù)量和類型，從而針對(duì)不同的產(chǎn)品類型做出不同的權(quán)衡。例如，用戶可以根據(jù)自己的具體需求挑選任意數(shù)量的計(jì)算、內(nèi)存和I/O Die，并無需針對(duì)具體需求進(jìn)行Die的自主設(shè)計(jì)，這有利于降低產(chǎn)品的SKU成本。

Chiplet的封裝集成允許廠商能夠以快速且經(jīng)濟(jì)的方式提供定制解決方案。如圖 1 所示，不同的應(yīng)用場景可能需要不同的計(jì)算加速能力，但可以使用同一種核心、內(nèi)存和 I/O。Chiplet的封裝集成還允許廠商根據(jù)功能需求對(duì)不同的功能單元應(yīng)用不同的工藝節(jié)點(diǎn)，并實(shí)現(xiàn)共同封裝。例如，內(nèi)存、邏輯、模擬和光學(xué)器件可以被應(yīng)用不同的工藝技術(shù)，然后和Chiplet封裝到一起。由于相比板級(jí)互連，封裝級(jí)互連具有線長更短、布線更緊密的優(yōu)點(diǎn)，因此，像內(nèi)存訪問這種需要高帶寬的應(yīng)用場景都可以以封裝級(jí)集成的方式實(shí)現(xiàn)（例如HBM，High Bandwidth Memory）。

UCIe是封裝互連的戰(zhàn)略性成果，它以前瞻性的方式滲入各種應(yīng)用模型，并蓄勢待發(fā)，志在扭轉(zhuǎn)行業(yè)未來。

UCIe 的 In package 本質(zhì)就是將整個(gè)芯片封裝視作主板，在基板上組裝大量的芯粒，包括各種處理器、收發(fā)器，以及硬化的 IP。整體而言，UCIe 是一個(gè)基于并行連接的高性能系統(tǒng)接口，主要是面向 PCIe/CXL 設(shè)備（芯片）的“ 組 裝”，如 CPU、GPU、DSA、FPGA、ASIC 等的互聯(lián)。隨著人工智能時(shí)代的到來，異構(gòu)計(jì)算已經(jīng)是顯學(xué)，原則上，只要功率密度允許，這些異構(gòu)計(jì)算單元的高密度集成可以交給 UCIe 完成。

△ UCIe的In package 本質(zhì)就是將整個(gè)芯片封裝視作主板

除了集成度的考慮，標(biāo)準(zhǔn)化的 Chiplet 也帶來了功能和成本的靈活性，對(duì)于不需要的單元，在制造時(shí)不參與封裝即可——而對(duì)于傳統(tǒng)的處理器而言，對(duì)部分用戶無用的單元常常成為無用的“暗硅”，意味著成本的浪費(fèi)。一個(gè)典型的例子就是 DSA，如英特爾第四代可擴(kuò)展至強(qiáng)處理器中的若干加速器，用戶可以付費(fèi)開啟，但是，如果用戶不付費(fèi)呢？這些 DSA 其實(shí)已經(jīng)制造出來了。

UCIe 包括協(xié)議層（Protocol Layer）、適配層（Adapter Layer）和物理層（Physical Layer）。協(xié)議層支持 PCIe 6.0、CXL 2.0 和 CXL 3.0，也支持用戶自定義。根據(jù)不同的的封裝等級(jí)，UCIe 也有不同的 Package module。通過用 UCIe 的適配層和 PHY 來替換 PCIe/CXL 的 PHY 和數(shù)據(jù)包，就可以實(shí)現(xiàn)更低功耗和性能更優(yōu)的 Die-to-Die 互連接口。

△ UCIe 對(duì)兩種封裝的劃分

UCIe 考慮了兩種不同等級(jí)的封裝：標(biāo)準(zhǔn)封裝（Standard Package）和先進(jìn)封裝（Advanced Package），凸塊間距、傳輸距離和能耗將有數(shù)量級(jí)的差異。譬如對(duì)于先進(jìn)封裝，凸塊間距（Bump Pitch）為 25～55μm，對(duì)應(yīng)的是采用硅中介層為代表的 2.5D 封裝技術(shù)的特點(diǎn)。以英特爾的 EMIB 為例，當(dāng)前的凸塊間距即為 50μm 左右，未來將向 25μm，甚至 10μm 演進(jìn)。臺(tái)積電的 InFO、CoWoS 也會(huì)有類似的規(guī)格和演進(jìn)。而標(biāo)準(zhǔn)封裝（2D）的規(guī)格對(duì)應(yīng)的是目前應(yīng)用最為廣泛的有機(jī)載板。

△ 英特爾先進(jìn)封裝的凸塊間距演進(jìn)

不同封裝的信號(hào)密度也是有本質(zhì)差異的，如標(biāo)準(zhǔn)封裝模塊對(duì)應(yīng)的是 16 對(duì)數(shù)據(jù)線（TX、RX），而高級(jí)封裝模塊包含 64 對(duì)數(shù)據(jù)線，每 32 個(gè)數(shù)據(jù)管腳還提供 2 個(gè)額外的管腳用于 Lane 修復(fù)。如果需要更大的帶寬，可以擴(kuò)展更多的模塊，且模塊的頻率是可以獨(dú)立的。?

△ UCIe 規(guī)劃了兩種等級(jí)封裝的性能目標(biāo)

當(dāng)然，UCIe 沒有必要急于跟進(jìn)封裝技術(shù)的極限，更高密度的鍵合通常還是為私有（協(xié)議）接口準(zhǔn)備的，典型的如存儲(chǔ)器（SRAM、HMB、3D NAND）的內(nèi)部。UCIe 能夠滿足通用總線的連接需求即可，如 PCIe、UPI、NVLink 等。值得一提的是，UCIe 對(duì)高速 PCIe 的深度捆綁，注定了它“嫌貧愛富”的格局。

實(shí)際上，SoC（System on Chip）是一個(gè)相當(dāng)寬泛的概念，UCIe 面向的可以看作是宏系統(tǒng)集成（Macro-System on Chip）。而在傳統(tǒng)觀念中適合低成本、高密度的 SoC 可能需要集成大量的收發(fā)器、傳感器、塊存儲(chǔ)設(shè)備等等。再譬如，一些面向邊緣場景的推理應(yīng)用、視頻流處理的 IP 設(shè)計(jì)企業(yè)相當(dāng)活躍，這些 IP 可能需要更靈活的商品化落地方式。既然相對(duì)低速設(shè)備的集成不在 UCIe 的考慮范圍內(nèi)，低速、低成本接口的標(biāo)準(zhǔn)化尚有空間。

編輯：黃飛

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