政府機(jī)構(gòu)，行業(yè)團(tuán)體和個(gè)體公司開始圍繞各種chiplet模型展開競(jìng)爭(zhēng)，為使用標(biāo)準(zhǔn)化接口和組件來(lái)更快、更便宜地制造復(fù)雜芯片奠定基礎(chǔ)。
像樂(lè)高積木一樣把不同模塊組合在一起的想法已經(jīng)被討論了近十年。到目前為止，只有Marvell將這一概念用于商業(yè)用途，而且這一概念僅適用于其基于模塊化芯片（MoChi）架構(gòu)的芯片。從那時(shí)起，三個(gè)不同的計(jì)劃已經(jīng)開啟，分別涉及到DARPA；IEEE與SEMI合作的國(guó)際器件與系統(tǒng)路線圖；以及一系列公司，包括Netronome、Achronix、Kandou Bus、GlobalFoundries、NXP、Sarcina Technology和SiFive。Leti和Fraunhofer等機(jī)構(gòu)也在歐洲開展工作。
Marvell公司網(wǎng)絡(luò)首席技術(shù)官兼高級(jí)主管Yaniv Kopelman說(shuō)：“明年你會(huì)聽到更多關(guān)于chiplet的消息。chiplet是解決摩爾定律死亡的好方法。三年前，我們?cè)谝慌_(tái)交換機(jī)上實(shí)現(xiàn)了這個(gè)方法，我們一直在內(nèi)部產(chǎn)品線中重用技術(shù)。”
三年前，Marvell推出了基于Kandou互連結(jié)構(gòu)的MoChi架構(gòu)。從那時(shí)起，由于器件微縮成本的上升，以及AI算法、汽車芯片、5G等新市場(chǎng)幾乎不變的流量的推動(dòng)下，其他公司開始積極參與其中。
圖1：智能手機(jī)中的MoChi示例。 （來(lái)源：Marvell）
SiFive首席執(zhí)行官Naveed Sherwani表示：“變革的速度已經(jīng)加快。因此，現(xiàn)在我們有快速變化的算法，你希望使用ASIC或類似于ASIC的東西，而不是FPGA的速度、功率和成本。但我們也看到，尤其是在AI領(lǐng)域，摩爾定律已經(jīng)嘎然而止，因?yàn)槲⒖s是沒(méi)有幫助的。如果沒(méi)有下一個(gè)節(jié)點(diǎn)，chiplet方法就變得更加可行。”
Sherwani表示，這也可以降低開發(fā)芯片的公司進(jìn)入的門檻，有助于吸引新的人才和年輕工程師，因?yàn)榘雽?dǎo)體行業(yè)正變得成本更低、充滿活力。
這種方法得到了很多支持，尤其是創(chuàng)業(yè)公司和投資者。
Kandou Bus公司首席執(zhí)行官Amin Shokrollahi表示：“chiplet將會(huì)提高銷售率，而且還會(huì)有更多創(chuàng)新。這會(huì)加速創(chuàng)新，因?yàn)槟阒辉O(shè)計(jì)了一個(gè)部分。這一直是IP公司和IP業(yè)務(wù)之間的驅(qū)動(dòng)力。從這里獲取一個(gè)IP，然后從那里獲取另一個(gè)IP。但這方面遇到的問(wèn)題是如何將這些IP組合在一起。這部分很難。”
提供框架和一些標(biāo)準(zhǔn)化可以有所幫助，并且可以顯著降低設(shè)計(jì)的成本和速度。
Shokrollahi說(shuō)：“我們必須從根本上降低創(chuàng)新成本。這意味著我們需要弄清楚如何在三個(gè)月內(nèi)進(jìn)入市場(chǎng)，并理解為什么我們會(huì)犯同樣的錯(cuò)誤。在過(guò)去40年中，整合的負(fù)擔(dān)大致相同。我們想要用5到10人而不是200人來(lái)完成一個(gè)項(xiàng)目，而且需要快速完成。”
要實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，還有許多工作要做，而且這一概念還有待于除一家公司之外的其他公司的商業(yè)驗(yàn)證。能夠以具有成本效益的方式在全球供應(yīng)鏈中增加足夠的一致性和靈活性是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)，但做到這一點(diǎn)的意義是深遠(yuǎn)的。
ClioSoft公司營(yíng)銷副總裁Ranjit Adhikary表示：“所有這一切的真正價(jià)值在于chiplet目錄，這樣你就可以追蹤芯片的去向以及人們使用這個(gè)IP的經(jīng)歷。你真正想要的是一個(gè)像亞馬遜這樣的模型，每個(gè)IP都有規(guī)格和評(píng)論，不管是硬IP還是軟IP。這非常重要。這必須得到安全保障的補(bǔ)充，因此一些組織可以訪問(wèn)某些IP，而不能訪問(wèn)其他IP。所有這些都需要轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，在這個(gè)系統(tǒng)中，你可以了解責(zé)任，并且可以跟蹤IP及其使用方式。”
今后的挑戰(zhàn)
創(chuàng)建一個(gè)由多家公司開發(fā)硬IP的基礎(chǔ)設(shè)施并不是一件輕而易舉的事情。而且，由于芯片是由多家公司在多個(gè)地區(qū)開發(fā)的，這就變得更加困難。有時(shí)會(huì)出現(xiàn)語(yǔ)言問(wèn)題，對(duì)可靠性、安全性和靜電/接近效應(yīng)的描述在某些應(yīng)用中可能需要比其他應(yīng)用更精確。對(duì)于安全關(guān)鍵型應(yīng)用，以及涉及在高級(jí)工藝節(jié)點(diǎn)開發(fā)的組件的芯片組合，這一點(diǎn)尤為正確。
DELTA Microelectronics銷售和營(yíng)銷副總裁Gert Jorgensen說(shuō)：“每次添加新器件時(shí)，復(fù)雜性都會(huì)增加兩到三倍，我們已經(jīng)完成了180、40和28nm的雙芯片封裝，但這些都是定制設(shè)計(jì)的芯片。這使它變得更容易，因?yàn)樗鼈兪菫榕浜隙O(shè)計(jì)的。如果你把一切都變得更加標(biāo)準(zhǔn)化，那么它們就不會(huì)相互適應(yīng)。”
還有其他問(wèn)題。Jorgensen說(shuō)：“當(dāng)你與多家供應(yīng)商打交道時(shí)，就會(huì)遇到像按時(shí)交貨這樣的問(wèn)題。因此，每家公司可能有25塊晶圓，但你只能從一家供應(yīng)商處得到23塊好晶圓。或者有時(shí)候晶圓被污染了，不容易焊線。”
Marvell的Kopelman說(shuō)，Marvell遇到的一個(gè)大問(wèn)題是芯片之間的接合。由于成本的原因，接合需要壓過(guò)有機(jī)襯底（run over an organic substrate），而不是使用interposer（內(nèi)插層）。第二個(gè)問(wèn)題涉及分區(qū)。
“當(dāng)你設(shè)計(jì)chiplet時(shí)，有時(shí)你會(huì)在中間分割I(lǐng)P。我們面臨的挑戰(zhàn)是在哪里進(jìn)行裁剪，以及如何開發(fā)允許這種裁剪的體系結(jié)構(gòu)。對(duì)于交換機(jī)或CPU，主要關(guān)注的是組件的延遲。另一個(gè)問(wèn)題是將所有這些投入生產(chǎn)。在演示中構(gòu)建IP很容易，但要實(shí)現(xiàn)適合生產(chǎn)的IP還有很長(zhǎng)的路要走。它需要通過(guò)ESD、熱、冷和各種流程的測(cè)試。這需要大量的工作，而且需要時(shí)間。”
加速封裝
雖然涉及chiplet的大部分注意力都集中在上市時(shí)間和定制上，但它們也可以與傳統(tǒng)封裝一起使用，例如扇出（fan-out）。其中一個(gè)很大的挑戰(zhàn)是裸片的位置。
ASE公司高級(jí)技術(shù)顧問(wèn)Bill Chen表示：“從概念上講，chiplet是利用EMIB（英特爾嵌入式多芯片互連橋）之類的東西構(gòu)建扇出的非常好的方法。但這并不容易。使用扇出和其他技術(shù)，你需要將裸片精確地放置在基板上，然后使用重分布層。不過(guò)，在扇出過(guò)程中，裸片會(huì)移動(dòng)。”
雖然扇出已經(jīng)批量生產(chǎn)，特別是在基于臺(tái)積電InFO架構(gòu)的智能手機(jī)中，但這種封裝方法的更廣泛應(yīng)用才剛剛開始。
Chen表示：“目前很少有多芯片的實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)需要迎頭趕上，成本需要迎頭趕上。有許多不同的想法正在試驗(yàn)中。ASE已經(jīng)試驗(yàn)了two die for chip last和 two for chip first，二者都有效。”
下一步是充滿信心地增加可重復(fù)性，這可能需要多種新的方法。Brewer Science正在研究一種方法，即在塑封材料中使用薄膜，其工作原理類似于網(wǎng)板。這種方法可以大大減少裸片移動(dòng)的問(wèn)題。
Brewer Science先進(jìn)技術(shù)執(zhí)行董事Rama Puligadda說(shuō)：“這不是interposer（內(nèi)插層），它是EMC（環(huán)氧塑封材料）的替代品。你在想在硅上制造空洞的地方預(yù)先形成一個(gè)網(wǎng)板。”
她指出，這也有助于解決諸如翹曲之類的問(wèn)題，這是EMC日益嚴(yán)重的問(wèn)題。chiplet方法更加模塊化，可以減少各部件的機(jī)械應(yīng)力。
圖2：疊層高分子裸片網(wǎng)板填充概念。（來(lái)源：Brewer Science）
什么人在做什么事情
DARPA的CHIPS（通用異構(gòu)整合和IP重用策略）計(jì)劃贏得了波音、洛克希德、諾斯洛普·格魯門、英特爾、美光、Cadence、Synopsys等公司的支持，用于商業(yè)和軍事/航空應(yīng)用。同樣，SEMI和IEEE也在推廣更快整合的共同路線圖，西門子的Mentor事業(yè)部已經(jīng)建立了一個(gè)可以在這方面提供幫助的封裝流程。
圖3：與interposer（內(nèi)插層）連接的chiplet （來(lái)源：佐治亞理工學(xué)院）
但要將這一點(diǎn)提高到主流商業(yè)水平還有很長(zhǎng)的路要走。Achronix營(yíng)銷副總裁Steve Mensor說(shuō)：“到目前為止，還沒(méi)有針對(duì)die-to-die通信的明確通信協(xié)議。可使用用于chip-to-chip通信的獨(dú)立器件的統(tǒng)一協(xié)議，但是這些協(xié)議具有大的延遲開銷，并且對(duì)于封裝集成解決方案而言不是最優(yōu)的。一旦有了可用的標(biāo)準(zhǔn)，chiplet用例將會(huì)迅速擴(kuò)展。”
Mensor表示，我們的愿景是更好的互操作性，而不是更好的特性。“最終目標(biāo)是創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，這些產(chǎn)品可以與封裝集成解決方案中的任何其他chiplet可靠地互操作。這需要標(biāo)準(zhǔn)和互操作性認(rèn)證方法。否則，每個(gè)封裝解決方案都將是構(gòu)建自定義解決方案的重要工程工作。”
這需要領(lǐng)域知識(shí)，這會(huì)在多個(gè)層面上改變游戲。這背后的驅(qū)動(dòng)概念相當(dāng)于大規(guī)模定制，這是第三方IP應(yīng)該促進(jìn)的方法。我們?nèi)鄙俚氖且环N更有預(yù)見性地將這些部分組合在一起的方法。
Netronome Systems首席營(yíng)銷和戰(zhàn)略官Sujal Das表示：“你需要領(lǐng)域知識(shí)，你需要牢記該領(lǐng)域的應(yīng)用，因?yàn)閷?duì)于人工智能、網(wǎng)絡(luò)和安全而言，你是在處理特定領(lǐng)域的語(yǔ)言。這是一種從每瓦性能中獲得更多價(jià)值的方法。你希望在差異化方面有最大的選擇余地。今天，當(dāng)你從不同的供應(yīng)商獲得SerDes IP時(shí)，你將被迫采用某種工藝尺寸。如果你想要遷移到5G PAM-4，你需要7nm，所以你不得不遷移所有東西。但是其他IP應(yīng)該能夠保留在最好的節(jié)點(diǎn)上，為了使其工作，你需要一種開放的方式來(lái)連接這些東西。英特爾的EMIB在這一點(diǎn)上做得過(guò)于苛刻。你希望以一種靈活的方式實(shí)現(xiàn)連接。”
Das表示，這需要同步和異步方法，以及通用的連接結(jié)構(gòu)。Netronome已經(jīng)開放了它的交換結(jié)構(gòu)，以促進(jìn)這一點(diǎn)。
Das說(shuō)：“第一步是根據(jù)規(guī)范制作白皮書。然后，我們將發(fā)布規(guī)則并加強(qiáng)它們。我們預(yù)計(jì)明年第一季度或第二季度會(huì)有原型。”
在此基礎(chǔ)上，需要開發(fā)工具和方法，使所有這些都能發(fā)揮作用。雖然較小的芯片相比于較大的芯片有更好的產(chǎn)量，但當(dāng)這些芯片被封裝在一起時(shí)，有許多事情可能會(huì)出錯(cuò)。一個(gè)壞的chiplet會(huì)殺死整個(gè)封裝。此外，芯片或模組在封裝、測(cè)試甚至運(yùn)輸過(guò)程中都可能受到損壞，如果涉及多個(gè)芯片，則損壞的成本會(huì)更高。
JCET集團(tuán)技術(shù)戰(zhàn)略總監(jiān)S.W. Yoon說(shuō)：“裸片尺寸越大，產(chǎn)量就越低。我們?cè)谏瘸鲋锌吹搅诉@一點(diǎn)。隨著尺寸變大，達(dá)到10 x 10或20 x 20，產(chǎn)量會(huì)降低。”
Yoon表示現(xiàn)在的重點(diǎn)是更薄的封裝和2μ或更小的互連，特別是在扇出中。這意味著，在這些類型的器件中使用的chiplet需要被表征為與當(dāng)今定制設(shè)計(jì)的芯片相同的密度和可能的交互，而且工具將需要考慮不同的IP功能和限制。
Kandou的Shokrollahi說(shuō)：“工具是我們需要的主要東西。我們內(nèi)部有一些與Marvell共同開發(fā)的工具。但仍有相當(dāng)一部分是缺乏的。”
工具在配置這些器件時(shí)提供了更多一致性。它們還可以減少設(shè)計(jì)中可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤，特別是當(dāng)復(fù)雜性超過(guò)人腦在多維空間中映射所有可能的交互和電氣影響的能力時(shí)。
工具從EDA的規(guī)劃方面開始，但它會(huì)繼續(xù)到制造的檢查和測(cè)試階段。在某些情況下，工具驅(qū)動(dòng)方法，在某些情況下，情況正好相反。但是一旦這個(gè)基礎(chǔ)建立起來(lái)，它就為改進(jìn)工藝、降低成本和試驗(yàn)新的可能性（例如內(nèi)部裸片間的硅光子學(xué)）提供了回旋余地。
雖然光子學(xué)已經(jīng)出現(xiàn)了一段時(shí)間，但它主要用于各種類型的服務(wù)器和大型數(shù)據(jù)中心的存儲(chǔ)。將其放入封裝中將對(duì)性能、延遲和與熱相關(guān)的影響產(chǎn)生重大影響。但在這一點(diǎn)上，以有競(jìng)爭(zhēng)力的價(jià)格在商業(yè)規(guī)模上推出這一產(chǎn)品的速度有多快還是個(gè)未知數(shù)。
盡管如此， chiplet的發(fā)展勢(shì)頭非常強(qiáng)勁，在過(guò)去一年的技術(shù)會(huì)議上，許多關(guān)于chiplet的討論都提到了光子學(xué)作為未來(lái)的發(fā)展方向。
結(jié)論
商用chiplet至少還需要幾年的時(shí)間。它已被證明在有限的應(yīng)用中有效，而且隨著時(shí)間的推移，很有可能芯片工業(yè)的很大一部分將會(huì)朝這個(gè)方向發(fā)展。但仍有一些問(wèn)題需要解決，這需要許多公司而不僅僅是少數(shù)公司的努力。
eSilicon總裁兼首席執(zhí)行官Jack Harding說(shuō)：“我們今天并沒(méi)有生產(chǎn)chiplet，但我們已經(jīng)考慮過(guò)了。我個(gè)人認(rèn)為，這是模塊開發(fā)乃至更廣泛的芯片開發(fā)不可避免的一部分。”