芯片行業(yè)在小芯片（chiplets）基礎(chǔ)設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)化方面取得了進(jìn)展，為更快、更可預(yù)測(cè)地集成不同供應(yīng)商的不同功能和特性奠定了基礎(chǔ)。
從小型、高度專業(yè)化的芯片菜單中進(jìn)行選擇，并針對(duì)特定的應(yīng)用程序和用例混合和匹配它們的能力已經(jīng)出現(xiàn)了十多年。但在 2016 年國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)路線圖結(jié)束后，將硬 IP 集成到封裝中的想法真正開(kāi)始流行起來(lái)。從那時(shí)起，芯片制造商一直在尋找各種不同的選擇來(lái)補(bǔ)充微縮挑戰(zhàn)，因?yàn)樽?2nm以來(lái)，每一種新的微縮技術(shù)都變得越來(lái)越昂貴。
小芯片已成為擴(kuò)展摩爾定律或完全回避它的一種方式，具體取決于應(yīng)用。無(wú)論哪種方式，最近推出的通用 Chiplet Interconnect Express (UCIe) 規(guī)范 1.0 都是一種支持技術(shù)，它提供了一種標(biāo)準(zhǔn)方法，可以將這些有限的功能/特性小芯片連接到一個(gè)半定制的封裝中。
UCIe 采用與PCIe類似的方法，PCIe 是一種用于 PCB 的標(biāo)準(zhǔn)化接口，使供應(yīng)商能夠混合和匹配各種設(shè)備以實(shí)現(xiàn)圖形、內(nèi)存和存儲(chǔ)等功能。UCIe 將其降低到 die-to-die 互連的水平，并得到了 AMD、Arm、ASE、谷歌、英特爾、Meta、微軟、高通、三星和臺(tái)積電等行業(yè)巨頭的支持。
行業(yè)參與者的最終目標(biāo)是為小芯片創(chuàng)建一個(gè)大型生態(tài)系統(tǒng)或市場(chǎng)，可以使用預(yù)先表征的現(xiàn)成組件快速組裝。從制造的角度來(lái)看，小芯片提供了更快的生產(chǎn)時(shí)間，因?yàn)樗鼈兊奈锢沓叽绫?SoC 小。困難的部分是將設(shè)備集成到由多個(gè)供應(yīng)商開(kāi)發(fā)的具有可預(yù)測(cè)結(jié)果的封裝中。這就是UCIe 發(fā)揮關(guān)鍵作用的地方。
“像 UCIe 這樣的標(biāo)準(zhǔn)化互連協(xié)議可以作為強(qiáng)大的小芯片技術(shù)生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)鍵推動(dòng)者，”西門(mén)子 EDA的 IC 驗(yàn)證部門(mén)的驗(yàn)證 IP 產(chǎn)品經(jīng)理 Gordon Allan 說(shuō)。“反過(guò)來(lái)，除了分解帶來(lái)的固有裸片良率優(yōu)勢(shì)外，該生態(tài)系統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)更高的生產(chǎn)力和更快的上市時(shí)間。雖然 UCIe 本身并不會(huì)提高芯片良率，但由于小芯片尺寸更小，并且有機(jī)會(huì)在其功能的理想節(jié)點(diǎn)點(diǎn)實(shí)施，因此小芯片的使用創(chuàng)造了提高良率的機(jī)會(huì)。”
UCIe 的好處
Chiplets 將用于各種細(xì)分市場(chǎng)，從高性能計(jì)算到物聯(lián)網(wǎng)、5G、汽車、醫(yī)學(xué)成像、邊緣計(jì)算、人工智能和移動(dòng)設(shè)備。在所有這些市場(chǎng)中，芯片制造商都面臨著提供更高性能和更針對(duì)特定領(lǐng)域的解決方案的壓力，但與此同時(shí)，其中許多設(shè)備的生產(chǎn)量將比智能手機(jī)或服務(wù)器小得多。
這就是類似 LEGO 的小芯片方法適合的地方，而 UCIe 是該策略的核心要素。與 PCIe 相比，標(biāo)準(zhǔn)封裝的 UCIe shoreline帶寬（線性）為 28 到 224，高級(jí)封裝為 165 到 1317 GB/s/mm，相比提高了 20 到 100 以上。PCIe 的延遲約為20ns。在小于 2ns (Tx + Rx) 時(shí)，UCIe 提供了 10 倍的改進(jìn)。電源效率為0.5（標(biāo)準(zhǔn)封裝）和0.25（高級(jí)封裝）pJ/b，提高了10倍以上。這很重要。更高的功率效率轉(zhuǎn)化為更低的熱量產(chǎn)生并最終為半導(dǎo)體帶來(lái)更高的可靠性。
英特爾、臺(tái)積電和三星這三個(gè)代工廠目前正在開(kāi)發(fā) 3nm 工藝技術(shù)，英特爾的路線圖將 2nm 以下擴(kuò)展到埃領(lǐng)域。但在這些節(jié)點(diǎn)上開(kāi)發(fā)芯片需要在良率學(xué)習(xí)和散熱、新晶體管類型、新材料以及High NA EUV 光刻方面面臨重大挑戰(zhàn)。通過(guò)限制在這些高級(jí)節(jié)點(diǎn)上開(kāi)發(fā)的內(nèi)容，并將加速器和內(nèi)存等其他組件作為單獨(dú)的小芯片封裝在一起，產(chǎn)量和上市時(shí)間都得到了改善。
UCIe 是朝著這個(gè)方向發(fā)展的重要成果，第一個(gè)版本同時(shí)解決了 2D 和 2.5D 制程。UCIe 3D 工藝也在進(jìn)行中，有望進(jìn)一步簡(jiǎn)化小芯片連接并緩解當(dāng)今的一些制造問(wèn)題。
圖 1：UCIe 將使設(shè)計(jì)人員能夠在未來(lái)的半導(dǎo)體開(kāi)發(fā)中將處理器、存儲(chǔ)器、控制器、RF 和 I/O 等功能塊分離到小芯片中。
典型的 SoC 封裝包括多功能模塊，例如處理器、協(xié)處理器、加速器、存儲(chǔ)器以及其他控制器和I/O 功能。小芯片設(shè)計(jì)將這些功能塊分成更小的小芯片。UCIe 不是制造包含所有這些多功能模塊的大型單片芯片，而是為制造商提供了一種方法來(lái)分別構(gòu)建處理器和 I/O 小芯片，然后再連接這些功能模塊（小芯片）。
如果任何小芯片在制造過(guò)程中遇到問(wèn)題，它們可以被丟棄并用其他小芯片替換，但該封裝中的其余組件將保持不變。這種方法可以提高生產(chǎn)效率、縮短上市時(shí)間并節(jié)省成本。隨著商業(yè)小芯片的開(kāi)發(fā)，它還可能提供更多選擇，允許芯片制造商準(zhǔn)確地構(gòu)建客戶需要的東西。這些小芯片也可以多次重復(fù)使用，例如在存儲(chǔ)器的情況下，或者它們可以針對(duì)特定應(yīng)用進(jìn)行定制。
對(duì)于今天的無(wú)晶圓設(shè)計(jì)，內(nèi)存塊可以反復(fù)使用，但設(shè)計(jì)人員仍然必須通過(guò)相同的設(shè)計(jì)步驟將其集成到單片芯片或高級(jí)封裝中。使用標(biāo)準(zhǔn)化接口，可以加快這一過(guò)程。
“對(duì)于代工廠而言，多die設(shè)計(jì)可能意味著更多的die流片。”Synopsys產(chǎn)品營(yíng)銷高級(jí)總監(jiān) Mick Posner 說(shuō)。“代工廠還可能會(huì)嘗試通過(guò)提供一些現(xiàn)成的裸片來(lái)促進(jìn)多裸片業(yè)務(wù)，這些裸片的使用方式與它們已經(jīng)用于關(guān)鍵 IP 塊的方式類似。這可能會(huì)讓代工廠更好地利用‘舊’節(jié)點(diǎn)的產(chǎn)能，即使對(duì)于非常先進(jìn)的設(shè)計(jì)也是如此。”
然而，這并不是一項(xiàng)微不足道的努力。“為此，die-to-die 接口必須在所有相關(guān)節(jié)點(diǎn)上都可用，”P(pán)osner 說(shuō)。“無(wú)晶圓廠芯片設(shè)計(jì)人員將能夠?qū)Ｗ⒂谒麄兊牟町惢蛩兀⒁揽啃酒庋b來(lái)實(shí)現(xiàn)其他‘通用’功能，就像他們今天對(duì) IP 所做的那樣。同樣地，芯片制造商可以通過(guò)提供更具可擴(kuò)展性的解決方案并以小芯片的形式提供可組合的產(chǎn)品，以供其他人以樂(lè)高方式與他們的“秘密武器”（例如加速器、GPU 等）進(jìn)行組裝，從而擴(kuò)大他們的市場(chǎng)。IP 供應(yīng)商可以選擇通過(guò)提供基于許可使用、版稅和/或硬件數(shù)量的新商業(yè)模式的硬化或已知良好芯片格式的專用 IP 子系統(tǒng)來(lái)擴(kuò)展生態(tài)系統(tǒng)。”
其他人指出了類似的好處。Arm公司產(chǎn)品管理高級(jí)總監(jiān) JeffDefilippi 表示：“人們很清楚需要基于小芯片的處理器來(lái)提高性能和降低成本。基礎(chǔ)設(shè)施業(yè)務(wù)線。“但直到最近，關(guān)于如何利用小芯片架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)超出供應(yīng)商特定的實(shí)施，幾乎沒(méi)有一致意見(jiàn)。UCIe 技術(shù)定義了一個(gè)開(kāi)放的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，用于在封裝級(jí)建立無(wú)處不在的互連，滿足客戶對(duì)更可定制的封裝級(jí)集成的要求。它結(jié)合了來(lái)自可互操作、多供應(yīng)商生態(tài)系統(tǒng)的一流芯片對(duì)芯片互連和協(xié)議，并從頭開(kāi)始構(gòu)建和指定，以提供最佳 KPI，同時(shí)滿足廣泛的采用標(biāo)準(zhǔn)。這使最終用戶能夠混合和匹配來(lái)自多供應(yīng)商生態(tài)系統(tǒng)的小芯片組件，用于 SoC 構(gòu)建。”
小芯片也解決了芯片設(shè)計(jì)中的另一個(gè)棘手問(wèn)題。隨著更多功能被添加到芯片中，包括 AI/ML，芯片的物理尺寸不斷增長(zhǎng)。但它們?cè)谥圃爝^(guò)程中受到掩模版尺寸的限制，掩模版尺寸決定了晶片上可以用單個(gè)掩模無(wú)誤地曝光的表面積量。目前，掩膜版的尺寸限制在 800 到 850mm? 之間，這也是當(dāng)今光刻設(shè)備所能達(dá)到的數(shù)字。在此限制內(nèi)，設(shè)計(jì)人員可以選擇生產(chǎn)許多簡(jiǎn)單的芯片，或者生產(chǎn)較少?gòu)?fù)雜的芯片，例如結(jié)合處理器、協(xié)處理器、存儲(chǔ)器和 I/O 的芯片。
UCIe 改變了這一模式，使芯片設(shè)計(jì)人員能夠以更少的工作量、更短的交貨時(shí)間和更高的產(chǎn)量為特定應(yīng)用開(kāi)發(fā)定制（定制）解決方案。例如，一個(gè)需要射頻調(diào)制解調(diào)器但只需要兩個(gè)內(nèi)存塊的通信芯片將能夠連接 3nm 處理器與 28nm 射頻，加上兩個(gè)內(nèi)存塊和其他 I/O。使用 UCIe 連接這些模塊為設(shè)計(jì)人員提供了更高程度的靈活性。
圖 2：隨著芯片尺寸變小，半導(dǎo)體開(kāi)發(fā)成本上升。UCIe 制造過(guò)程可能會(huì)減緩增長(zhǎng)速度。
第一步
UCIe 1.0 是第一個(gè)支持基于 PCI Express (PCIe) 和Compute Express Link (CXL)行業(yè)的 die-to-die I/O 物理層、die-to-die 協(xié)議和軟件堆棧的開(kāi)放行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)。它包括業(yè)界領(lǐng)先的 KPI、調(diào)試支持和合規(guī)性注意事項(xiàng)。目標(biāo)是確保芯片組互連和互操作。UCIe 的未來(lái)目標(biāo)包括添加定義高級(jí)小芯片外形和管理的附加協(xié)議。
“UCIe 是一個(gè)綜合規(guī)范，旨在推動(dòng)圍繞多die SoC 設(shè)計(jì)的連貫生態(tài)系統(tǒng)，”Synopsys產(chǎn)品營(yíng)銷高級(jí)總監(jiān) Shekhar Kapoor 說(shuō)。“UCIe聯(lián)盟已經(jīng)發(fā)布了一個(gè) die-to-die 接口規(guī)范，它比其他選項(xiàng)更具包容性，涵蓋了完整的協(xié)議棧以及物理層。因此，它可以解決最相關(guān)的多die SoC 用例。相比之下，其他標(biāo)準(zhǔn)工作主要集中在接口的物理層方面。除了完整性之外，UCIe 規(guī)范在其提出的性能指標(biāo)（如邊緣效率、電源效率和延遲方面）也很有吸引力。UCIe還定義了一個(gè)連貫的路線圖，以符合行業(yè)的預(yù)期未來(lái)需求，換個(gè)角度來(lái)看，Marvell、英特爾和 AMD 已經(jīng)在幾代芯片中使用小芯片方法，這使它們具有優(yōu)于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的先天優(yōu)勢(shì)。但隨著業(yè)界其他公司開(kāi)始采用這種樂(lè)高積木方法，它為所有芯片制造商開(kāi)辟了類似的定制能力。
“采用標(biāo)準(zhǔn)化定義，以及發(fā)布 UCIe 成員承諾在商用小芯片中使用的標(biāo)準(zhǔn)化小芯片 I/O 接口，應(yīng)該會(huì)擴(kuò)大和簡(jiǎn)化小芯片技術(shù)的采用，”西門(mén)子的Allan說(shuō)。“這可能包括參考工具包、合規(guī)文檔和開(kāi)放支持。結(jié)果將是任何希望使用商業(yè)小芯片的人都可以輕松做到這一點(diǎn)，就像今天的設(shè)計(jì)師可以使用 HBM 內(nèi)存并將其集成到他們的設(shè)計(jì)中一樣。從穩(wěn)定性的角度來(lái)看，UCIe 將受益于 PCIe 和 CXL 的基礎(chǔ)，這些基礎(chǔ)正在被市場(chǎng)廣泛采用。這對(duì)于未來(lái) UCIe 解決方案的穩(wěn)定性來(lái)說(shuō)是個(gè)好兆頭。此外，安全性有望成為小芯片采用的一個(gè)積極因素，因?yàn)橥ㄟ^(guò)將它們放置在芯片上可以使功能更加安全，現(xiàn)在可能在小芯片中處于芯片外。UCIe 所基于的底層 PCIe/CXL 協(xié)議具有強(qiáng)大的安全實(shí)現(xiàn) (IDE)，可以為采用小芯片的用戶提供安全保障。”
圖 3：半導(dǎo)體、封裝、IP 供應(yīng)商、代工廠和云服務(wù)提供商的領(lǐng)導(dǎo)者正在聯(lián)手推動(dòng)新的開(kāi)放式小芯片標(biāo)準(zhǔn)。資料來(lái)源：UCIE 聯(lián)盟
未來(lái)發(fā)展與挑戰(zhàn)
總體而言，半導(dǎo)體行業(yè)對(duì)新標(biāo)準(zhǔn)充滿熱情。但這只是起點(diǎn)。下一步是建立一個(gè)小芯片生態(tài)系統(tǒng)，該生態(tài)系統(tǒng)具有良好的特征并在硅片中得到驗(yàn)證。
Cadence負(fù)責(zé)信號(hào)完整性的產(chǎn)品工程架構(gòu)師 Ken Willis 說(shuō)：“對(duì)于內(nèi)插器上的小芯片設(shè)計(jì)，目前存在詳細(xì)的物理實(shí)現(xiàn)工具，以及詳細(xì)的布局后提取和信號(hào)完整性、電源完整性和熱仿真工具。” “仍然需要的關(guān)鍵功能是為早期可行性和權(quán)衡分析提供支持的預(yù)設(shè)計(jì)分析環(huán)境，以幫助在實(shí)施時(shí)做出架構(gòu)和系統(tǒng)級(jí)決策。這將需要訪問(wèn)合格的小芯片分析模型庫(kù)、代表性中介層互連庫(kù)，以及跨中介層/封裝/電路板快速“虛擬原型”潛在實(shí)施方法的能力，以實(shí)現(xiàn)多學(xué)科分析。”
還有很多工作要做。“UCIe 倡導(dǎo)者已經(jīng)明確定義了他們的重點(diǎn)領(lǐng)域，其中包括具有行業(yè)領(lǐng)先 KPI 的裸片到裸片 I/O、用于近期批量附加的 CXL/PCIe，以及確保互操作性和演進(jìn)的明確規(guī)范，”說(shuō)西門(mén)子 EDA 嵌入式板系統(tǒng)部門(mén)的產(chǎn)品經(jīng)理 Keith Felton。“展望未來(lái)，UCIe應(yīng)該尋求與其他專注于實(shí)現(xiàn)小芯片商業(yè)化和使用的行業(yè)聯(lián)盟密切合作，例如作為開(kāi)放計(jì)算項(xiàng)目 ODSA/CDX 業(yè)務(wù)工作組一部分的小芯片設(shè)計(jì)交換 (CDX) 項(xiàng)目。”
UCIe 是重要的第一步。“一個(gè)完整的接口解決方案包含許多不同的元素，包括協(xié)議、PHY、安全性、管理、調(diào)試和外形尺寸，”Arm 的 Defilippi 說(shuō)。“業(yè)界一直在以定制的方式解決這些問(wèn)題，現(xiàn)在 UCIe 將面臨這些元素標(biāo)準(zhǔn)化的挑戰(zhàn)。”
盡管如此，在行業(yè)重量級(jí)人物的支持下，UCIe 規(guī)范 1.0 正在獲得動(dòng)力。新興的開(kāi)放式行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)提供了更好的性能、低功耗和更高的產(chǎn)量。此外，計(jì)劃中的 3-D 重點(diǎn)有望促進(jìn)整個(gè)半導(dǎo)體生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展。
“目前，UCIe 規(guī)范 1.0 解決了 2D 和 2.5D 流程，”英特爾高級(jí)研究員兼 I/O 技術(shù)首席架構(gòu)師、UCIe 標(biāo)準(zhǔn)推動(dòng)者成員 Debendra Das Sharma 說(shuō)。“我們希望在未來(lái)的版本中涵蓋 3D。UCIe通過(guò)定義通用標(biāo)準(zhǔn)接口提供性能和電源效率改進(jìn)，它將使整個(gè)小芯片生態(tài)系統(tǒng)受益。IP 開(kāi)發(fā)商和小芯片制造商，包括制造處理器、存儲(chǔ)器、協(xié)處理器、加速器、控制器和不同類型 I/O 的制造商現(xiàn)在可以參與其中。他們將共同加速未來(lái)的半導(dǎo)體創(chuàng)新。”