芯粒的好處以及為什么芯粒更好？

7月5日起，「DPU與智能網(wǎng)卡技術(shù)公開課」陸續(xù)開講，主講開源DPU、內(nèi)生安全智能網(wǎng)卡與DPU云化裸金屬。

芯粒是小型模塊化芯片，可以組合形成完整的片上系統(tǒng) (SoC)。它們被設(shè)計用于基于芯粒的架構(gòu)，其中多個芯粒連接在一起以創(chuàng)建單個復雜的集成電路。與傳統(tǒng)的單片 SoC 相比，基于芯粒的架構(gòu)具有多項優(yōu)勢，包括提高性能、降低功耗和提高設(shè)計靈活性。Chiplet 技術(shù)相對較新，半導體行業(yè)的許多公司正在積極開發(fā)。

Chiplet 是一種新型芯片，為設(shè)計復雜的 SoC 鋪平了道路。Chiplet 可以被視為樂高積木的高科技版本。一個復雜的功能被分解成一個小模塊，然后是可以非常有效地執(zhí)行單個特定功能的芯粒。因此，使用芯粒的集成系統(tǒng)可以包括：數(shù)據(jù)存儲、信號處理、計算和數(shù)據(jù)流管理，構(gòu)建稱為“芯?！薄?/p>

Chiplet 是封裝架構(gòu)的一部分，它可以定義為一塊物理硅片，通過使用封裝級集成方法將 IP（知識產(chǎn)權(quán)）子系統(tǒng)與其他 chiplet 封裝在一起。可以說，chiplet 技術(shù)在單個封裝或系統(tǒng)中集成了多種電氣功能。

利用芯粒技術(shù)，工程師可以通過將不同類型的第三方 IP 組裝到單個芯片或封裝中來快速且經(jīng)濟高效地設(shè)計復雜芯片。這些第三方 IP 可以是 I/O 驅(qū)動程序、內(nèi)存 IC 和處理器內(nèi)核 。

chiplets 的想法起源于 DARPA CHIPS（Common Heterogeneous Integration and IP）項目。由于最先進的 SoC 并不總是適合小規(guī)模應用，因此為了提高整體系統(tǒng)的靈活性，CHIP 計劃尋求創(chuàng)建一種新的 IP 重用范例，即 chiplet。

雖然當今大多數(shù)電子設(shè)備中的計算機技術(shù)在很大程度上仍由傳統(tǒng)芯片組主導，但隨著時間的推移，這種趨勢似乎很明顯會發(fā)生變化。許多專家認為，隨著這些先進技術(shù)的發(fā)展，專用芯粒將成為消費設(shè)備的普遍特征。有許多可靠且更便宜的技術(shù)可用于設(shè)計芯粒。

摩爾定律是英特爾聯(lián)合創(chuàng)始人戈登摩爾于 1965 年做出的預測，即微芯片上的晶體管數(shù)量大約每兩年翻一番，從而導致計算能力呈指數(shù)級增長并降低成本。Chiplet 技術(shù)可以看作是擴展摩爾定律并延續(xù)半導體行業(yè)提高性能和降低成本的趨勢的一種方式。

芯粒技術(shù)可以幫助擴展摩爾定律的一種方式是允許創(chuàng)建更復雜和更強大的 SoC，而無需將所有必要的組件安裝到單個單片芯片上。通過將復雜的 SoC 分解成更小的模塊化芯粒并將它們連接在一起，可以繼續(xù)擴大晶體管和其他組件的數(shù)量，而不會達到單個芯片的物理極限。這有助于跟上摩爾定律預測的性能改進和成本降低的步伐。

如今，異構(gòu)芯粒集成市場增長更加迅速。AMD 的 Epyc 和英特爾的 Lakefield 等不同的微處理器采用芯粒設(shè)計和異構(gòu)集成封裝技術(shù)進行大量生產(chǎn)。

01.芯粒歷史

芯粒的概念已經(jīng)存在了幾十年，但近年來作為應對縮小傳統(tǒng)單片 IC 挑戰(zhàn)的一種方式獲得了更多關(guān)注。隨著摩爾定律的不斷推進，單片IC的尺寸和復雜度顯著增加，導致成本更高，制造難度更大?；谛玖５脑O(shè)計為這些挑戰(zhàn)提供了一個潛在的解決方案，它允許公司使用更小、更專業(yè)的芯粒，這些芯?？梢暂p松組合并組裝成一個完整的系統(tǒng)。

“Chiplet”這個詞相對較新，只使用了大約五年左右。它最初是由密歇根大學的研究人員和科學家創(chuàng)造的，當時他們開始研究改進計算機芯片設(shè)計、效率和功能的方法。這個詞是“chip”和“petite”的組合，可以翻譯成“小”的意思。因此，Chiplet 是一種非常小的計算機芯片，用于高科技設(shè)備，可執(zhí)行比傳統(tǒng) CPU 芯片更復雜的任務。它在過去幾年發(fā)展迅速，許多專家認為，由于其增強的功能，它將開始取代消費設(shè)備中的傳統(tǒng)芯片組。

2007 年 5 月，DARPA（國防高級研究計劃局）啟動了首個用于異構(gòu)芯粒的COSMOS（硅基復合半導體材料）。DARPA 啟動了CHIPS，其目的是用芯粒制造模塊化計算機。它還涉及不同的集成標準、IP 塊和可用的設(shè)計工具。

02.市場預測

芯粒市場預計在未來幾年將經(jīng)歷顯著增長。根據(jù) MarketsandMarkets 發(fā)布的一份報告，到 2025 年，該市場的價值預計將達到 57 億美元。這表示從 2020 年到 2025 年的復合年增長率 (CAGR) 為 18.9%。

根據(jù) Transparency Market Research 發(fā)布的一份報告，到 2031 年，芯粒市場的價值預計將達到 472 億美元。這代表 2021 年至 2031 年的復合年增長率為 23.9%。該預測考慮了對高性能計算和數(shù)據(jù)分析不斷增長的需求，以及電子設(shè)計中模塊化和定制化的增長趨勢。

這些數(shù)據(jù)表明，芯粒市場有望在未來幾年實現(xiàn)有希望的增長。芯粒是小型模塊化芯片，可以組合成更大、更復雜的片上系統(tǒng) (SoC)。與傳統(tǒng)的單片芯片相比，它們具有許多優(yōu)勢，包括提高性能、節(jié)省成本和設(shè)計靈活性。這些因素，加上對高性能計算和數(shù)據(jù)分析的需求不斷增長，可能會在未來幾年推動芯粒市場的增長。

03.芯粒的好處以及為什么芯粒更好？

與傳統(tǒng)的單片處理器設(shè)計相比，芯粒具有多項重要優(yōu)勢。它們可以快速、輕松地定制和升級，從而減少開發(fā)時間和成本。也許最重要的是，芯粒通過使用針對特定任務優(yōu)化的專用處理元件來提高性能。例如，如果您的設(shè)備中的 AI 應用程序需要高處理能力，您可以用專為 AI 任務設(shè)計的芯粒取代傳統(tǒng) CPU。

除了這些性能優(yōu)勢外，芯粒還可以降低處理器的尺寸和功率要求。通過將多個單獨的功能整合到單個單元中，它們消除了對傳統(tǒng)芯片所需的大部分布線、冷卻基礎(chǔ)設(shè)施和其他組件的需求。這降低了制造成本，并允許更小的設(shè)備設(shè)計，非常適合智能手機或 AR/VR 耳機等移動設(shè)備。

芯粒提供的靈活性還提供了重要的設(shè)計和開發(fā)優(yōu)勢。由于可以輕松定制和升級，chiplet 使制造商能夠快速適應不斷變化的市場條件或新技術(shù)發(fā)展。它們還通過減少設(shè)計和制造定制 SoC 所需的步驟來簡化生產(chǎn)過程。

chiplet 技術(shù)允許制造商使用更小、更專業(yè)的 chiplet 而不是單個單片芯片來完成某些任務，從而有助于提高產(chǎn)量并降低成本。這有助于提高產(chǎn)量，因為它降低了芯片制造過程的復雜性，從而可以減少出現(xiàn)的缺陷數(shù)量并提高可用芯片的整體產(chǎn)量。此外，由于芯?？梢詥为氃O(shè)計和制造，因此可以更輕松地優(yōu)化每個特定芯粒的制造過程，從而進一步提高產(chǎn)量。

芯粒有助于降低成本的另一種方式是允許制造商使用混合搭配方法來創(chuàng)建 SoC。制造商不必為每個新產(chǎn)品從頭開始設(shè)計和制造新芯片，而是可以使用現(xiàn)有芯粒的組合來創(chuàng)建所需的 SoC，這樣可以更快、更具成本效益。這對于需要將產(chǎn)品快速推向市場并且需要能夠快速更改其 SoC 以滿足不斷變化的市場需求的公司來說尤其有用。

04.芯粒挑戰(zhàn)

chiplets技術(shù)面臨以下挑戰(zhàn)：

首要的挑戰(zhàn)是確保 chiplet 模式的低成本和高可靠性，它基于先進的封裝技術(shù)。封裝技術(shù)是chiplet關(guān)注的焦點。從 TMSC 向封裝的積極轉(zhuǎn)變以及 InFo 和 CoWos 等其他封裝技術(shù)的發(fā)展也可以看出其意義。

第二個挑戰(zhàn)是以經(jīng)濟的產(chǎn)品率保持良好的產(chǎn)品質(zhì)量。雖然，Chiplet 是認證產(chǎn)品，但仍然存在良率問題。如果在 SiP 中的一個 chiplet 硅芯片中發(fā)現(xiàn)問題，整個 chiplet 系統(tǒng)的成本就會更高。下圖中的圖表描述了相對于芯片面積的成品率百分比。

另一個突出的挑戰(zhàn)是測試覆蓋率。由于多個芯粒嵌入在一起，每個芯?？梢赃B接到有限數(shù)量的引腳。一些芯粒在引腳之外變得不可訪問，這導致芯片測試出現(xiàn)問題 。

05.芯粒標準

雖然芯粒帶來了許多挑戰(zhàn)，尤其是在商業(yè)應用和可擴展性方面，但它們?yōu)楫斀褚恍┳罹o迫的芯片設(shè)計問題提供了一個有前途的解決方案。隨著持續(xù)的發(fā)展和創(chuàng)新，我們可以期待很快看到芯粒的更廣泛使用 。

隨著 chiplet 技術(shù)的發(fā)展勢頭越來越強勁，業(yè)內(nèi)許多大公司開始涉足是很自然的。GlobalFoundries 和三星是走在這一趨勢前沿的兩家主要公司，各自致力于開發(fā)自己的解決方案來應對芯粒挑戰(zhàn)。英特爾、AMD、高通、Arm、臺積電和三星正在合作定義基于芯粒的 CPU 的新標準。這就催生了UCIe 。

UCIe ( Universal Chiplet Interconnect Express )的推動者群體相當龐大，其中包括 AMD、Arm、Intel 和 Qualcomm，芯片廠臺積電和三星（以及 Intel），芯片封裝公司 Advanced Semiconductor Engineering，以及云計算提供商 Google、Microsoft、和Meta。

已經(jīng)開發(fā)了芯粒標準化工作來幫助解決與這些連接的性能相關(guān)的問題。其中包括改進熱管理、降低功耗和減少延遲。它們還可以通過增加流經(jīng)這些連接的數(shù)據(jù)流量來幫助提高芯片間通信和集成的效率。

Chiplet 標準化工作正在進行中，目前有許多不同的標準用于芯片之間的接口。例如，加速器緩存一致性互連 (CCIX) 應該是 SoC 芯粒的未來標準。多個芯片包含在同一個芯片封裝中，它們一起充當一個大的單芯片。為了讓最終用戶能夠輕松混合和匹配芯粒組件，UCIe 1.0 規(guī)范提供了完整的標準化芯片到芯片互連，包括物理層、協(xié)議棧、軟件模型和合規(guī)性測試。

下表顯示了 UCIe 1.0 的特性和關(guān)鍵矩陣。UCIe 標準涵蓋芯粒設(shè)計的物理層、物理層和協(xié)議層。這些標準還定義了芯粒應如何連接在一起以相互通信。UCIe 1.0 版定義了兩個不同的性能級別以適應不同的封裝選項：標準和高級。

在標準封裝方案中，芯粒之間定義了 25 毫米間距的 16 條數(shù)據(jù)通道。而在先進封裝中，允許有 64 個數(shù)據(jù)通道和 2mm 的空間 。UCIe 1.0 標準基本上是為 2D 和 2.5D 芯片封裝定義的，而不是像即將推出的 Foveros Direct 這樣的 3D 直接芯片到芯片技術(shù)。隨著 3D 芯片封裝變得可用，該標準將需要更新，以便考慮到可能的附加功能和更高的密度。

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芯粒標準化的最大挑戰(zhàn)之一是確保芯片可以設(shè)計為與各種中介層設(shè)計和標準一起使用。在這方面已經(jīng)取得了一些進展，包括多個組織努力為芯粒接口編寫標準化規(guī)范。然而，隨著越來越多的公司采用這些類型的技術(shù)，確保兼容性可能會變得越來越困難。有興趣實施這些技術(shù)的公司需要密切關(guān)注 chiplet 標準化工作的現(xiàn)狀，以最大限度地提高成功的機會。

06.芯粒的未來

芯粒技術(shù)是一種模塊化設(shè)計方法，涉及創(chuàng)建小型、獨立的芯片或“芯?！保@些芯片可以組合起來創(chuàng)建更大的系統(tǒng)。每個芯粒都旨在執(zhí)行特定功能，通過組合不同的芯粒，公司可以創(chuàng)建滿足其特定需求的定制解決方案。Chiplet 技術(shù)有可能徹底改變電子元件的設(shè)計和制造方式，因為它允許更高效和更具成本效益的生產(chǎn)過程，并能夠創(chuàng)造更專業(yè)和定制化的產(chǎn)品。

芯粒技術(shù)有幾個關(guān)鍵優(yōu)勢。首先，它允許更靈活和可擴展的設(shè)計。通過使用芯粒，公司可以混合和匹配不同的組件，以創(chuàng)建適合其特定性能和功率要求的解決方案。這可以帶來更高效和更具成本效益的制造流程，因為它允許公司創(chuàng)建針對其特定需求優(yōu)化的產(chǎn)品。

其次，芯粒技術(shù)有助于提高電子設(shè)備的性能。通過使用芯粒，公司可以創(chuàng)建針對特定任務優(yōu)化的解決方案，從而實現(xiàn)更快、更高效的性能。此外，chiplet 技術(shù)有助于降低功耗，因為它可以更有效地利用資源。

最后，chiplet 技術(shù)具有加速電子行業(yè)創(chuàng)新的潛力。通過支持創(chuàng)建更專業(yè)化和定制化的產(chǎn)品，chiplet 技術(shù)可以引領(lǐng)新技術(shù)和創(chuàng)新技術(shù)的發(fā)展。

很難預測 chiplet 技術(shù)的確切未來，因為它將取決于許多因素，包括技術(shù)進步、市場需求和個別公司的戰(zhàn)略。然而，芯粒技術(shù)有可能徹底改變處理器和其他電子元件的設(shè)計和制造方式。通過允許公司混合和匹配不同的芯粒來創(chuàng)建定制產(chǎn)品，芯粒技術(shù)可以帶來更高效和更具成本效益的制造過程。它還可以允許創(chuàng)建更專業(yè)和定制的產(chǎn)品，因為公司可以選擇最能滿足其性能和功率要求的特定芯粒。

審核編輯：劉清