摩爾定律可能還沒有死，但它肯定在 28nm 工藝節(jié)點之外受到了重大挑戰(zhàn)。幸運的是，有一些方法可以擴展摩爾定律的成本、功能和尺寸優(yōu)勢。其中一種方法就是使用chiplet（或模塊化管芯），通過將單個硅die替換為多個在統(tǒng)一封裝解決方案中協(xié)同工作的較小die，從而有效地繞過摩爾定律。
與單片微芯片相比，這種方法提供了更多的硅來添加晶體管。因此，預計小芯片將回到自 1965 年以來一直是半導體業(yè)務(wù)基石經(jīng)濟的兩年翻番周期。
據(jù) Omdia 稱，在制造過程中使用小芯片的處理器微芯片的全球市場將在 2024 年擴大到 58 億美元，比 2018 年的 6.45 億美元增長九倍。
許多主要的芯片制造商正在將小芯片集成到他們的設(shè)計中。例如，英特爾最近透露了其先進封裝戰(zhàn)略的新增內(nèi)容，并推出了兩種新的 3D 芯片堆疊技術(shù)——Foveros Direct 和 Foveros Omi。到 2023 年，這兩種封裝技術(shù)都將準備好進行大規(guī)模生產(chǎn)。前者涉及可以在其上堆疊chiplet的基片。相反，Omni 將允許底部模具與頂部模具的尺寸不同。
小芯片并非沒有挑戰(zhàn)，但它們確實提供了許多好處。使用小芯片方法，供應(yīng)商可以從庫中的模塊化die菜單中進行選擇。小芯片可以具有不同的功能和工藝節(jié)點，它們可以混合搭配，然后組裝在現(xiàn)有的高級封裝或新架構(gòu)中。
是什么推動了小芯片的發(fā)展？Kandou創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官 Amin Shokrollahi博士認為，有五個因素的組合：
1、芯片流片成本上升。mask本身可能價值數(shù)百萬美元。
2、越來越大的芯片的趨勢。一些已經(jīng)達到了光罩限制，而另一些則剛剛遭受了良率損失。
3、將小芯片綁定在一起的多種技術(shù)的可用性，包括精細幾何和傳統(tǒng)的有機封裝基板。
4、需要在特定于該功能的工藝節(jié)點和代工廠中擁有每個功能。小芯片允許混合和匹配不同的幾何形狀和不同的代工廠。
5、需要靈活地提供產(chǎn)品以滿足各種市場需求。小芯片使多個產(chǎn)品能夠由相同的幾個小芯片制成。
芯片設(shè)計人員如何為他們的產(chǎn)品利用小芯片封裝？雖然重要的半導體 EDA 工具公司提供專有軟件，但大多數(shù)市場尚無法使用小芯片工具。此外，仍在為這種新興技術(shù)制定標準。但是有一些關(guān)鍵的考慮將有助于今天的設(shè)計師。
Shokrollahi 解釋說，重要的是要意識到在小芯片之間使用精細幾何互連會導致一些產(chǎn)量損失、制造復雜性和整體問題。
“有一些方法可以有效集成小芯片，完全避免使用精細幾何互連，”Shokrollahi 說。“使用 SerDes 連接安裝在傳統(tǒng)有機封裝基板上的小芯片可以避免這些問題。低功耗、超短距離 USR/XSR SerDes 是小芯片之間高速互連的首選解決方案。”
仔細地將大芯片細分為tile是一門藝術(shù)。做得好，收益會很大。一個常見的錯誤是擁有一個只有 SerDes 的 I/O 小芯片，這導致該 I/O 小芯片太小，浪費了縮小較大主處理塊的機會。Shokrollahi 說，更好的方法是將盡可能多的 I/O 子系統(tǒng)放在 I/O 小芯片上。這可以包括 TCP 卸載、數(shù)據(jù)包分段、信用管理、前向糾錯和成幀塊，以及 SerDes。該解決方案需要一個通向 I/O 小芯片的管道，而不僅僅是 SerDes。
處理小芯片通常可以以平鋪形式復制。這些tile使不同的產(chǎn)品具有不同數(shù)量的小芯片tile。在這個 tile 解決方案中只需要兩種類型的小芯片，一種是 tile 小芯片，一種是 I/O 小芯片。路由器結(jié)構(gòu)或環(huán)面網(wǎng)絡(luò)通常被設(shè)計為管理彼此不相連的tile之間的連接。
Shokrollahi 指出，OIF（Optical Internetworking Forum ） 的兩個項目將為連接小芯片的 SerDes 制定互操作性協(xié)議 （IA）。第一個是CEI-112G-MCM（多芯片模塊）項目，第二個是CEI-112-XSR項目。MCM項目使用CNRZ-5調(diào)制；XSR 項目使用 PAM-4 調(diào)制。這兩個正在進行的項目具有不同的特性，并以不同的方式進行了優(yōu)化。基于 MCM IA 的 SerDes 可能具有較低的功率，并且在粗管應(yīng)用中很有用。基于 XSR IA 的 SerDes 在細管應(yīng)用中很有用，并且與現(xiàn)有系統(tǒng)更兼容。
使用 SerDes 與這兩個 IA 中的任何一個來連接 MCM 內(nèi)的小芯片可以簡化開發(fā)，因為它們避免了精細幾何互連，例如芯片上晶圓基板 （ CoWoS ） 或 INFO，Shokrollahi 表示。SerDes 實現(xiàn)的延遲比在細間距interposer上使用導線的延遲略高。然而，低速互連的慢時鐘速率意味著這些解決方案可能具有至少兩個慢時鐘的延遲。SerDes 解決方案還具有必須解決的錯誤率。XSR PAM-4 SerDes 實現(xiàn)旨在通過傳統(tǒng)的前向糾錯 （FEC） 塊提高 1E-9 的原始錯誤率。MCM CNRZ-5 SerDes 實現(xiàn)旨在通過最小的低延遲 FEC 將原始錯誤率提高到 1E-15。
