Innolink-國產(chǎn)首個物理層兼容UCIe標(biāo)準(zhǔn)的Chiplet解決方案

　　前言

　　2022年3月，芯片制造商英特爾、臺積電、三星聯(lián)合日月光、AMD、ARM、高通、谷歌、微軟、Meta(Facebook)等十家行業(yè)巨頭共同推出了全新的通用芯片互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)——UCle。

　　幾乎與此同時，中國IP和芯片定制及GPU賦能型領(lǐng)軍企業(yè)芯動科技宣布率先推出國產(chǎn)自主研發(fā)物理層兼容UCIe標(biāo)準(zhǔn)的IP解決方案-Innolink™ Chiplet，這是國內(nèi)首套跨工藝、跨封裝的Chiplet連接解決方案，且已在先進工藝上量產(chǎn)驗證成功!

　　▲ Innolink™ Chiplet架構(gòu)圖

　　隨著高性能計算、云服務(wù)、邊緣端、企業(yè)應(yīng)用、5G通信、人工智能、自動駕駛、移動設(shè)備等應(yīng)用的高速發(fā)展，算力、內(nèi)存、存儲和互連的需求呈現(xiàn)爆炸式增長。但同時，先進工藝芯片迭代也面臨著開發(fā)難度大、生產(chǎn)成本高、良品率低的窘境，即先進制程工藝下芯片面臨著性能與成本的矛盾，Chiplet技術(shù)在這一背景下得到快速發(fā)展。

　　▲ 制程工藝發(fā)展和晶體管密度增加導(dǎo)致開發(fā)成本急劇上升

　　Chiplet技術(shù)的核心是多芯粒(Die to Die)互聯(lián)，利用更短距離、更低功耗、更高密度的芯片裸die間連接方式，突破單晶片(monolithic)的性能和良率瓶頸，降低較大規(guī)模芯片的開發(fā)時間、成本和風(fēng)險，實現(xiàn)異構(gòu)復(fù)雜高性能SoC的集成，滿足不同廠商的芯粒之間的互聯(lián)需求，達到產(chǎn)品的最佳性能和長生命周期。

　　▲ Chiplet核心技術(shù)是多芯�；ヂ�(lián)

　　近年，AMD、蘋果和英偉達等國際巨頭都發(fā)布了標(biāo)志性的Chiplet旗艦產(chǎn)品，并在各個應(yīng)用領(lǐng)域取得極大成功，進一步驗證了Chiplet技術(shù)的可行性和發(fā)展前景，使得Chiplet互聯(lián)這一核心技術(shù)日益受到市場追捧!

　　▲ 多芯�；ヂ�(lián)的Chiplet技術(shù)是實現(xiàn)高性能異構(gòu)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

　　▲ 蘋果自研M1 Ultra芯片應(yīng)用Chiplet技術(shù)實現(xiàn)性能翻倍

　　Chiplet早期發(fā)展協(xié)議混亂 各公司制定自己的私有標(biāo)準(zhǔn)

　　此前，眾多的芯片廠商都在推自己的互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)，比如Marvell在推出模塊化芯片架構(gòu)時采用了Kandou總線接口;NVIDIA擁有用于GPU的高速互聯(lián)NV Link方案;英特爾推出了EMIB (Embedded Die interconnect bridge)接口;臺積電和Arm合作搞了LIPINCON協(xié)議;AMD也有Infinity Fabrie總線互聯(lián)技術(shù)等等。芯動科技奮起直追緊隨其后，2020年在國內(nèi)率先推出自主研發(fā)的Innolink™ Chiplet標(biāo)準(zhǔn)并實現(xiàn)授權(quán)量產(chǎn)。

　　Chiplet技術(shù)核心就是Die to Die互聯(lián)，實現(xiàn)大帶寬下的多芯片算力合并，形成多樣化、多工藝的芯片組合。顯然，如果各家芯片廠商都在推自己的標(biāo)準(zhǔn)，這將導(dǎo)致不同廠商的Chiplet之間的互聯(lián)障礙，限制Chiplet的發(fā)展。因此，實現(xiàn)各個芯粒之間高速互聯(lián)，需要芯片設(shè)計公司、EDA廠商、Foundry、封測廠商等上下游產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)調(diào)配合、建立統(tǒng)一的接口標(biāo)準(zhǔn)，從而實現(xiàn)Chiplet技術(shù)的量產(chǎn)應(yīng)用并真正降低成本，加速整個Chiplet生態(tài)的發(fā)展。于是，UCIe標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)運而生。

　　UCIe的建立將有力推動Chiplet連接標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展

　　前不久，UCIe標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布引起了業(yè)界高度關(guān)注與熱議，因為這是由一條比較完整的產(chǎn)業(yè)鏈提出的開放的、可互操作性的標(biāo)準(zhǔn)，能有效解決當(dāng)前先進工藝芯片產(chǎn)業(yè)上下游發(fā)展的難題，降低成本、提升性能。

　　Universal Chiplet Interconnect Express (UCIe)® 是一個開放的、行業(yè)通用的Chiplet(芯粒)的高速互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)，由英特爾、AMD、ARM、高通、三星、臺積電、日月光、Google 、Meta、微軟等十大行業(yè)巨頭聯(lián)合推出。它可以實現(xiàn)小芯片之間的封裝級互連，具有高帶寬、低延遲、低成本、低功耗等優(yōu)點，能夠滿足包括云端、邊緣端、企業(yè)級、5G、汽車、高性能計算和移動設(shè)備等在內(nèi)的整個計算領(lǐng)域，對算力、內(nèi)存、存儲和互連日益增長的高需求。通俗來講，UCIe是統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)后的Chiplet，具有封裝集成不同Die的能力，這些Die可以來自不同的晶圓廠，也可以是采用不同的設(shè)計和封裝方式。

　　Innolink™ Chiplet方案解讀

　　▲ 芯動Chiplet架構(gòu)師高專講演Innolink™ Chiplet方案

　　就在Ucle標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布后兩周，芯動科技就宣布推出首個國產(chǎn)自主研發(fā)物理層兼容UCIe標(biāo)準(zhǔn)的IP解決方案-Innolink™ Chiplet。芯動Chiplet架構(gòu)師高專表示：芯動在Chiplet技術(shù)領(lǐng)域積累了大量的客戶應(yīng)用需求經(jīng)驗，并且和臺積電、intel、三星、美光等業(yè)界領(lǐng)軍企業(yè)有密切的技術(shù)溝通和合作探索，兩年前就開始了Innolink™ 的研發(fā)工作，率先明確Innolink B/C基于DDR的技術(shù)路線，并于2020年的Design Reuse全球會議上首次向業(yè)界公開Innolink A/B/C技術(shù)。

　　得益于正確的技術(shù)方向和超前的布局規(guī)劃，Innolink™ 的物理層與UCIe的標(biāo)準(zhǔn)保持一致，成為國內(nèi)首發(fā)、世界領(lǐng)先的自主UCIe Chiplet解決方案。

　　▲ Innolink A/B/C實現(xiàn)方法

　　Innolink™ Chiplet的設(shè)計思路和技術(shù)特點：

　　1.業(yè)界很多公司認(rèn)為Chiplet跨工藝、跨封裝的特性，會使其面臨復(fù)雜的信號衰減路徑，所以普遍使用SerDes差分技術(shù)以應(yīng)對這一問題。芯動基于對Chiplet應(yīng)用場景和技術(shù)趨勢的深刻理解，以及在DDR技術(shù)領(lǐng)域的絕對領(lǐng)先，認(rèn)為相較于SerDes路線，DDR技術(shù)更適合Chiplet互聯(lián)和典型應(yīng)用，而且不同封裝場景需要用到不同的DDR技術(shù)方案。

　　2.Chiplet(Die to Die) 在短距PCB、基板、Interposer上連接時，路徑短、干擾少、信號完整性好，此時采用DDR技術(shù)路線在延時功耗和帶寬密度上更具優(yōu)勢。在短距離PCB、 基板、Interposer平臺上，DDR對比SerDes的優(yōu)勢如下：

　　Chiplet的核心目標(biāo)就是高密度和低功耗，DDR技術(shù)滿足多芯�；ヂ�(lián)的高密度、低功耗、低延遲等綜合需求，可使多芯粒像單芯粒一樣工作，單芯�？偩�延展至多芯粒。因此，芯動綜合考慮SerDes和DDR的技術(shù)特點，在Innolink-B/C 采用了DDR的方式實現(xiàn)，提供基于GDDR6/LPDDR5技術(shù)的高速、高密度、高帶寬連接方案。

　　3.標(biāo)準(zhǔn)封裝使用MCM傳統(tǒng)基板作為Chiplet互聯(lián)的介質(zhì)，具備成本便宜等特點，是對成本較為敏感的Chiplet應(yīng)用場景首選;先進封裝如Interposer，具備密度高、良品率低、成本高等特點，則是對價格不敏感的高性能應(yīng)用場景首選。在UCIe定義正式發(fā)布前，Innolink-B/C就提前實現(xiàn)了這兩種封裝場景的應(yīng)用，驗證了其對市場前景和Chiplet技術(shù)趨勢的準(zhǔn)確判斷。

　　▲UCIe定義不同封裝標(biāo)準(zhǔn)的主要性能指標(biāo)

　　4.針對長距離PCB、線纜的Chiplet連接，Innolink-A提供基于SerDes差分信號的連接方案，以補償長路徑的信號衰減。

　　5.總的來看，Innolink-A/B/C實現(xiàn)了跨工藝、跨封裝的Chiplet量產(chǎn)方案，成為業(yè)界領(lǐng)先!圍繞著Innolink™ Chiplet IP技術(shù)，芯動同時還提供封裝設(shè)計、可靠性驗證、信號完整性分析、DFT、熱仿真、測試方案等整套解決方案!

　　▲ Innolink™ Chiplet的設(shè)計包含了UCIe的Chiplet連接先進、標(biāo)準(zhǔn)封裝定義

　　圖中顯示UCIe分了3個層次，Protocol Layer協(xié)議層、die to die Adapter互聯(lián)層、Physical Layer物理層。其中協(xié)議層就是常用的PCIE、CXL等上層協(xié)議，底層的Die to Die和PHY物理層，即是和Innolink™同樣的實現(xiàn)方式。

　　總結(jié)：芯動準(zhǔn)確地把握了Chiplet技術(shù)方向，并前瞻性地完成設(shè)計驗證，與后來推出的UCIe技術(shù)方向一致，為Innolink™ 兼容UCIe標(biāo)準(zhǔn)奠定基礎(chǔ)，成為業(yè)界領(lǐng)先方案。

　　這聽起來像押中高考大題的故事，其實Innolink™背后的技術(shù)極為復(fù)雜，正因為芯動掌握了高速SerDes、GDDR6/6X、LPDDR5/DDR5、HBM3、基板和Interposer設(shè)計方案、高速信號完整性分析、先進工藝封裝、測試方法等等世界領(lǐng)先的核心技術(shù)，并且經(jīng)過大量客戶需求落地和量產(chǎn)驗證迭代。博觀而約取，厚積而薄發(fā)，“押中題”無疑是是芯動技術(shù)團隊長期投入和耕耘的成果!

　　芯動準(zhǔn)備了滿滿一桌的大餐 等著UCIe這個客人上桌!

　　Innolink™ Chiplet是芯動先進IP之集大成者，代表著國內(nèi)乃至世界領(lǐng)先水平，聞之不如見之，我們來盤點一下其內(nèi)部實現(xiàn)的基礎(chǔ)技術(shù)。

　　▲ 18Gbps GDDR6 單端信號量產(chǎn)驗證

　　▲ 21Gbps PAM4 DQ eye, single ended

　　▲ HBM3 6.4Gbps 高速眼圖

　　▲ 全球首個GDDR6/6X combo IP量產(chǎn)

　　▲ 32/56G SerDes眼圖

　　▲ 風(fēng)華1號4K高性能GPU應(yīng)用Innolink™ Chiplet實現(xiàn)性能翻倍

　　▲ 先進封裝信號完整性分析

　　▲ 封裝熱效應(yīng)仿真

　　看到這些賞心悅目的IP驗證測試眼圖，相信大家對Innolink™ Chiplet有了更加客觀的認(rèn)知。追本溯源，這些成果反映的另一問題也值得探討，為什么芯動能在這么多先進技術(shù)上取得如此耀眼的成績?

　　為什么要做先進IP？有哪些挑戰(zhàn)和困難？

　　芯動科技的CEO敖海先生是技術(shù)出身，長期保持和一線研發(fā)工程一起討論架構(gòu)、改代碼、調(diào)電路、定方案的習(xí)慣，從領(lǐng)導(dǎo)人至一線員工，全公司都秉承踏實進取、勇于創(chuàng)新、務(wù)實精進的作風(fēng)。見微知著，芯動研發(fā)團隊能持續(xù)攻克一個個技術(shù)難關(guān)、攀登一座座行業(yè)高峰也就不奇怪了。正因于此，芯動才能保持對市場的敏銳判斷和技術(shù)發(fā)展的持續(xù)領(lǐng)先!

　　▲ CEO親自參與研發(fā)工作，帶領(lǐng)團隊勇爭領(lǐng)先!

　　敖海認(rèn)為，現(xiàn)階段先進工藝芯片技術(shù)迅速發(fā)展、高性能應(yīng)用需求急劇增加，只有不畏挑戰(zhàn)迎難而上、搶先占領(lǐng)技術(shù)高地，在Chiplet等先進IP技術(shù)上對標(biāo)海外巨頭，并在某些領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)彎道超越，才能在市場上站穩(wěn)腳跟，有效賦能國產(chǎn)半導(dǎo)體發(fā)展!

　　▲ 芯動科技CEO敖海先生

　　首發(fā)先進IP技術(shù)具備很多優(yōu)勢，可以快速贏得業(yè)界認(rèn)可、第一時間導(dǎo)入客戶需求并設(shè)計驗證、廣泛獲得Foundry和封測等上下游的大力支持。在市場應(yīng)用成熟時，還可以讓廣大芯片客戶用上量產(chǎn)驗證的、可靠安全的IP，從而根據(jù)新的升級方向迅速實現(xiàn)技術(shù)迭代，進一步推動業(yè)務(wù)增長。一步領(lǐng)先、步步領(lǐng)先，從IP切入是極具實際意義的。

　　當(dāng)然，首發(fā)推出先進工藝IP面臨很多困難:

　　1.沒有參照對象，試錯成本高。

　　第一個吃螃蟹的人，先進道路的開拓者，總要付出加倍的努力。在很多大的技術(shù)節(jié)點上并沒摸石頭過河的說法，需要不斷的摸索嘗試。通俗點講就是一個個坑踩個遍，踩結(jié)實了，路就平了。

　　2.對團隊要求高。

　　一個先進IP，從數(shù)字到模擬、后端到工藝、流片到封測，每個環(huán)節(jié)都要資深的技術(shù)人員，芯動經(jīng)過16年的積累，打造一支技術(shù)過硬的隊伍，后來居上，面對國外廠商的先發(fā)優(yōu)勢毫不退讓，用實力贏得全球客戶認(rèn)可。

　　3.先進工藝流片驗證成本高。

　　先進工藝的IP流片驗證成本很高昂，設(shè)計工時、FinFet工藝MPW或者流片費用、封測等累加，每次驗證的費用輕輕松松破百萬美元。

　　某種意義上，芯動在先進IP領(lǐng)域獲得的優(yōu)勢和業(yè)界認(rèn)可，以及6大合作晶圓廠在工藝、流片成本、產(chǎn)能上給予的巨大幫助，都是做先進工藝IP的好處。

　　先進IP的重要意義

　　有和沒有先進IP區(qū)別是很大的，有先進IP能夠使市場更加理性，同時滿足國產(chǎn)高端芯片自主可控、技術(shù)迭代的迫切需求!

　　▲ 芯動科技主辦的2021國產(chǎn)IP與定制芯片生態(tài)大會盛況

　　芯動的先進IP技術(shù)，一方面引領(lǐng)行業(yè)技術(shù)的創(chuàng)新，塑造半導(dǎo)體企業(yè)的全球化長遠(yuǎn)發(fā)展視野，另一方面填補國內(nèi)高性能芯片的應(yīng)用空白，助力國內(nèi)高端芯片發(fā)展。

　　芯動16年來重兵投入全球先進工藝、專注國產(chǎn)自主IP研發(fā)，在高性能計算平臺、多媒體終端&汽車電子平臺、IoT物聯(lián)網(wǎng)平臺等應(yīng)用領(lǐng)域打造了核心優(yōu)勢，超過200次的流片記錄、逾60億顆授權(quán)量產(chǎn)芯片、10億顆以上高端定制SoC量產(chǎn)，默默耕耘、腳踏實地，為賦能高端芯片做出重要貢獻!