Chiplet悄然興起,面臨的機遇與挑戰(zhàn)

最近，chiplet這個概念熱了起來，從美國DARPA的CHIPS項目到Intel的Foveros等，都把chiplet看成是未來芯片的重要基礎(chǔ)技術(shù)。簡單來說，chiplet技術(shù)就是像搭積木一樣，把一些預先生產(chǎn)好的能實現(xiàn)特定功能的芯片裸片（die）通過先進的集成技術(shù)（比如3D integration等）集成封裝在一起，形成一個系統(tǒng)芯片(SoC)。而這些基本的裸片就是chiplet。從這個意義上來說，chiplet就是一個新的IP復用模式。未來，以chiplet模式集成的芯片會是一個“超級”異構(gòu)系統(tǒng)，可以為AI計算帶來更多的靈活性和新的機會。

chiplet模式興起

chiplet的概念其實很簡單，就是硅片級別的”復用”。設(shè)計一個系統(tǒng)級芯片，以前的方法是從不同的IP供應商購買一些IP，軟核（代碼）或硬核（版圖），結(jié)合自研的模塊，集成為一個SoC，然后在某個芯片工藝節(jié)點上完成芯片設(shè)計和生產(chǎn)的完整流程。未來，對于某些IP，你可能不需要自己做設(shè)計和生產(chǎn)了，而只需要購買別人己經(jīng)做好的硅片(管芯)，然后在一個封裝里集成起來，形成一個SiP（System in Package）。所以chiplet也是一種IP，但它是以硅片的形式提供,而不是之前依軟件形式。

從這段描述來看chiplet可以說是一種新的芯片設(shè)計模式，要實現(xiàn)chiplet這種新的IP復用模式，首先要具備的技術(shù)基礎(chǔ)就是先進的芯片集成封裝技術(shù)。SiP的概念其實很早就有，把多個芯片裝在一個封裝里也有很久的歷史了。但要實現(xiàn)chiplet這種高靈活度，高性能，低成本的芯片復用愿景，必須要具備有先進的芯片集成技術(shù)，比如Intel最近提出的EMIB,Foveros，3D集成技術(shù)等。

未來芯片設(shè)計中，產(chǎn)品的功能，成本與上市時間等是主要因素，如果你想把所有東西都集成在一個芯片上，導致芯片的面積會很大,需要很長的時間。如果你想使用先進的制造工藝，它的成本會更高,越來越不切實際。更為重要的是未來的許多器件，使用的材料也并非一定是硅材料，可能是鍺，III-V族，碳化硅等，因此如果能把一個復雜的芯片分解成若干個子系統(tǒng)，而其中有些子系統(tǒng)可能是標準化的產(chǎn)品，就是chiplet中的某一種，最后把它封裝在一體。它是近期半導體業(yè)在后摩爾定律的方向之一，通俗說就是“異質(zhì)集成”，或者叫“異構(gòu)集成”。

Chiplet典型范例

英特爾實際上有幾種不同的芯片組解決方案，它有助于揭示未來的芯片組三個發(fā)展方向，顯然臺積電等也擁有獨特的封裝技術(shù)，由此拿到了蘋果的處理器芯片訂單。

英特爾的EMIB(Embedded Multi-Die Interconnect Bridge，嵌入式多核心互聯(lián)橋接)封裝技術(shù)理念與2.5D封裝類似，但技術(shù)水平更高。

EMIB在本質(zhì)上是一種非常薄的硅中介層(interposer)，上面有密度非常高的互聯(lián)結(jié)構(gòu)，我們把它們成為微凸塊，EMIB的密度遠高于在其它標準封裝基板上發(fā)現(xiàn)的那種密度。微凸塊是一些微小的焊球，可以把一個芯片連接到另一個芯片上，后者連接到封裝內(nèi)的高密度互聯(lián)結(jié)構(gòu)上。

使用EMIB能把GPU和HBM(高帶寬內(nèi)存)集成在一起，使用了封裝內(nèi)部的HBM接口。然后我們在標準電路板級接口上使用了PCI Express，用它來承接GPU和CPU的功能。

另一個例子是Stratix 10 FPGA。它實際上是英特爾首次展示的EMIB解決方案。Stratix 10的中心是一個英特爾的FPGA，圍繞著它有六個小芯片。其中，有四個是高速收發(fā)器，兩個是高帶寬內(nèi)存，它們都裝在一個封裝之中。這個例子中集成了來自三家代工廠、使用了六種不同的代工節(jié)點生產(chǎn)出來的芯片組。因此，Stratix 10進一步證明了不同代工廠生產(chǎn)的器件之間的互操作性。

此外，這顆芯片中使用了一種被稱為AIB的行業(yè)標準硅片到硅片接口，這是英特爾的高級接口總線。這是英特爾專為這種芯片設(shè)計的總線接口標準，它是實現(xiàn)封裝內(nèi)部高帶寬、邏輯到邏輯器件互聯(lián)的重要支撐。可以說，HBM是用于內(nèi)存集成的第一個標準，而AIB是用于邏輯器件集成的第一個標準。

第三個例子是英特爾的Foveros解決方案，這是邏輯器件上堆疊邏輯器件的芯片方案，在2017年12月份首次提到該方案，并在2018年一月份的CES展會上發(fā)布了一款產(chǎn)品-Lakefield。它是一種芯片組集成，不過它不是水平堆疊，而是垂直堆疊。

對于這種邏輯器件上堆疊邏輯器件方案，可能需要更長的時間才能把它演化成一種工業(yè)領(lǐng)域的標準。因為它這上面的芯片基本上都是共同設(shè)計的。在邏輯器件上堆疊內(nèi)存可能會是最先衍生出三維堆疊開發(fā)標準的地方。

散熱是最大的問題。其實，你也可以想象，硅片堆疊會讓任何類型的散熱問題都變得更為棘手。因此，我們確實需要繼續(xù)規(guī)劃分層，以適應、調(diào)整各個熱點。此外，我們還需要考慮整個系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計問題。三維堆疊不僅僅涉及到物理架構(gòu)，它能一直影響到架構(gòu)決策，而且是整個CPU/GPU和系統(tǒng)的架構(gòu)。

對于芯片組還需要建立新的測試技術(shù)和標準。

圍繞測試的行業(yè)標準非常重要。通常而言，對于一個完整的封裝里的器件進行測試。首先需要把一個一個能正常工作的芯片組放到封裝內(nèi)，但是即便每個芯片組能正常工作，也很難保證集成在一起的大芯片能正常工作，然而這種測試需要設(shè)置另外的精細pad來放探針。

最后一個也很明顯，就是機械標準，微凸塊的放置和它們之間的通路也需要有標準來支持互操作性。

很多chiplet模式的問題最終都需要EDA工具的改進來給出答案，需要EDA工具從架構(gòu)探索，到芯片實現(xiàn)，甚至到物理設(shè)計的全面支持。

chiplet模式的挑戰(zhàn)

首先當然是集成技術(shù)的挑戰(zhàn)。chiplet模式的基礎(chǔ)還是先進的封裝技術(shù)，必須能夠做到低成本和高可靠性。這部分主要看foundry和封裝廠商。隨著先進工藝部署的速度減緩，封裝技術(shù)逐漸成為大家關(guān)注的重點。此外，集成技術(shù)的挑戰(zhàn)還來自集成標準?；氐紺HIPS項目，可以看出，該項目的重點就是設(shè)計工具和集成標準。Intel的AIB（Advanced Interface Bus）就是一個硅片到硅片的互聯(lián)標準，如果未來能夠成為業(yè)界的標準（類似ARM的AMBA總線標準的作用），則chiplet的模式就可能更快的普及。還有，對于這種“超級”異構(gòu)系統(tǒng)，其更大的優(yōu)化空間也同時意味著架構(gòu)優(yōu)化的難度也會大大增加。

除了集成技術(shù)之外，chiplet模式能否成功的另一個大問題是質(zhì)量保障。我們在選擇IP的時候，除了PPA(power,performance and cost)之外，最重要的一個考量指標就是IP本身的質(zhì)量問題。IP本身有沒有bug，接入系統(tǒng)會不會帶來問題，有沒有在真正的硅片上驗證過等等。在目前的IP復用方法中，對IP的測試和驗證已經(jīng)有比較成熟的方法。但是對于chiplet來說，這還是個需要探索的問題。雖然，相對傳統(tǒng)IP，chiplet是經(jīng)過硅驗證的產(chǎn)品，本身保證了物理實現(xiàn)的正確性。但它仍然有個良率的問題，而且如果SiP其中的一個硅片有問題，則整個系統(tǒng)都會受影響，代價很高。因此，集成到SiP中的chiplet必須保證100%無故障。從這個問題延伸，還有集成后的SiP如何進行測試的問題。將多個chiplet封裝在一起后，每個chiplet能夠連接到的芯片管腳更為有限，有些chiplet可能完全無法直接從芯片外部管腳直接訪問，這也給芯片測試帶來的新的挑戰(zhàn)。

因此chiplet尚是個新生亊物,目前至少能供選擇的芯片組并不很多,另外它還面臨如下一些挑戰(zhàn)：

眼下還沒有標準的方法貼裝或堆壘芯片組；

裸芯片到裸芯片的互連方案很昂貴；

設(shè)計和制造之間還有缺口，例如如何驗證和測試芯片組；

有一點目前還不是很清楚：一旦它們被制造出來交給集成商和封裝廠以后, 誰將來負責這些芯片組。