對標AMD、Intel！中國首個小芯片標準發(fā)布

　　在近期激烈的全球競爭中，國產(chǎn)芯片產(chǎn)業(yè)迎來一項重要利好，中國首個原生Chiplet 技術標準正式審定發(fā)布!

　　在12月16日舉辦的“第二屆中國互連技術與產(chǎn)業(yè)大會”上，由中國集成電路領域相關企業(yè)和專家共同主導制定的《小芯片接口總線技術要求》團體標準正式通過工信部中國電子工業(yè)標準化技術協(xié)會的審定并發(fā)布。

　　對中國芯片產(chǎn)業(yè)而言，該團體標準是中國首個小芯片(Chiplet)技術標準，意義十分重大，這無疑是一大好消息。

　　小芯片（Chiplet）技術到底是什么？

　　所謂的小芯片(Chiplet)技術，在近兩年里收到了業(yè)內(nèi)的熱烈關注和探討。

　　小芯片Chiplet又被稱為“芯粒”，Chiplet將復雜芯片拆解成一組具有單獨功能的小芯片單元die(裸片)，通過die-to-die的結構將模塊芯片和底層基礎芯片封裝組合在一起。

　　Chiplet的主要優(yōu)勢包括：

　　1.可以大幅提高大型芯片的良率;

　　2.可以降低設計的復雜度和設計成本;

　　3.還能降低芯片制造的成本。

　　為什么小芯片被這么多企業(yè)重視呢，原因是因為小芯片Chiplet架構在制程工藝難以進步的情況下，可以實現(xiàn)晶體管密度的突破，因此對于半導體行業(yè)來說非常重要。

　　早在2010年，蔣尚義先生提出通過半導體公司連接兩顆芯片的方法，區(qū)別于傳統(tǒng)封裝，定義為先進封裝 。

　　2015年Marvell創(chuàng)始人之一周秀文(Sehat Sutardja)博士曾提出Mochi(Modular Chip，模塊化芯片)架構的概念，這是芯粒早期雛形。

　　而AMD是率先將芯粒技術大規(guī)模應用于商業(yè)產(chǎn)品的公司之一，在第三代銳龍(Ryzen)處理器上AMD便是復用了第二代霄龍(EPYC)處理器的IO Chiplet。直到2019年，國內(nèi)華為等公司也在產(chǎn)品中使用芯粒技術。

　　在2022年舉辦的基金委雙清論壇上，孫凝暉院士、劉明院士、蔣尚義先生等討論提出了“集成芯片”概念，也是對芯粒集成芯片的概括和定義。不過，網(wǎng)上也有一些值得關注的觀點。清華大學魏少軍教授指出，Chiplet處理器芯片是先進制造工藝的“補充”，而不是替代品。“其目標還是在成本可控情況下的異質集成。”

　　那么此次國內(nèi)審定發(fā)布的《小芯片接口總線技術要求》中都講了哪些內(nèi)容呢?

　　據(jù)悉，《小芯片接口總線技術要求》描述了 CPU、GPU、人工智能芯片、網(wǎng)絡處理器和網(wǎng)絡交換芯片等應用場景的小芯片接口總線(chip-let)技術要求，包括總體概述、接口要求、鏈路層、適配層、物理層和封裝要求等。

　　據(jù)介紹，小芯片接口技術有以下應用場景：

　　·C2M (Computing to Memory)，計算芯片與存儲芯片的互連。

　　·C2C (Computing to Computing)，計算芯片之間的互連。兩者連接方式：

　　·采用 并行單端 信號相連，多用于 CPU 內(nèi)多計算芯片之間的互連。

　　·采用 串行差分 信號相連，多用于 AI、Switch 芯片性能擴展的場景。

　　·C2IO (Computing to IO)，計算芯片與 IO 芯片的互連。

　　·C2O (Computing to Others)，計算芯片與信號處理、基帶單元等其他小芯片的互連。

　　此標準列出了并行總線等三種接口，提出了多種速率要求，總連接帶寬可以達到 1.6Tbps，以靈活應對不同的應用場景以及不同能力的技術供應商，通過對鏈路層、適配層、物理層的詳細定義，實現(xiàn)在小芯片之間的互連互通，并兼顧了 PCIe 等現(xiàn)有協(xié)議的支持，列出了對封裝方式的要求，小芯片設計不但可以使用國際先進封裝方式，也可以充分利用國內(nèi)封裝技術積累。

　　(《小芯片接口總線技術》標準概況圖)

　　換個角度來看，小芯片Chiplet技術其實就是模塊化的芯片技術，可以由多個不同制程、架構、功能的小芯片堆疊出全功能芯片，在半導體行業(yè)已經(jīng)極為常見。此次中國發(fā)布原生Chiplet小芯片標準，無疑將推動本土半導體芯片這一領域的發(fā)展。

　　單片式SOC與Chiplet SOC的比較

　　Chiplego首席技術顧問曾在《揭秘后摩時代芯片產(chǎn)業(yè)方向：Chiplet技術》一文中提到，在不考慮制造成本的情況下，人們總是認為單片SOC可以比Chiplet SOC提供更好的性能和功耗。事實上，單片SOC中每個模塊都能以最小的延遲進行通信，這使得前者比Chiplet SOC的性能更好。然而，如果把制造成本作為一個芯片設計目標，那么有些單片SOC設計可能會成為一個不可能完成的任務。

　　他以AMD的64核Chiplet芯片設計為例：在7nm技術中，CPU Chiplet尺寸約為81mm^2;在12nm技術中，I/O芯片的尺寸約為125mm^2。如果采取單片設計方法，單片SOC的裸片尺寸應該在700mm^2到800mm^2之間。

　　(Chiplet與SoC的區(qū)別)

　　而在目前的EUV曝光機中，光掩模版尺寸約為858mm^2。在未來的High-NA EUV中，光掩模版可能會小于450mm^2。因此，無論采用哪種情況，AMD 64核SOC的單片設計都難以生產(chǎn)，即使單片設計能提供卓越的性能和功耗。如果人們?nèi)匀幌胍詥纹琒OC中完成64個CPU Core的設計，只有通過減少高速緩存的大小，比如縮減一半甚至更多，這樣芯片尺寸就可以減少一半，單片SOC在7nm中可以達到400mm^2左右，但這種設計方案在生產(chǎn)成本方面并不合理�？偠�言之，在一個系統(tǒng)中，不同的功能和特性所需要的工藝技術往往是不兼容的。例如，DRAM和RF工藝技術與邏輯SOC就不兼容。在這種情況下，單片SOC是不可能的。如果想把這些功能塊集成到一個封裝中，Chiplet SOC是唯一的解決方案。

　　科技巨頭率先成立了Chiplet標準聯(lián)盟

　　整個芯片產(chǎn)業(yè)其實很早就做好了迎接Chiplet技術的準備。在今年3月，英特爾、AMD、ARM、高通、臺積電、三星、日月光、Google云、Meta(Facebook)、微軟等十大行業(yè)巨頭聯(lián)合成立了Chiplet標準聯(lián)盟(UCIe 聯(lián)盟)，正式推出了通用芯�；ミB技術(Universal Chiplet Interconnect Express)。該聯(lián)盟成立的目的旨在推動Chiplet接口規(guī)范的標準化，并已推出UCIe 1.0版本規(guī)范。

　　需要指出的是，通用芯�；ミB技術(UCIe)是一個開放的芯�；ミB協(xié)議，旨在芯片封裝層面確立互聯(lián)互通的統(tǒng)一標準，滿足客戶對可定制封裝要求。通用芯粒互連技術提供了物理層和die-to-die適配器。物理層包含裸片間通信的電氣信號、時鐘標準、物理通道數(shù)量等規(guī)范，可以包含來自多家不同公司當前所有類型的封裝選項，包括標準2D封裝和更先進的2.5D封裝。隨著3D芯片封裝的推出，UCIe標準還需不斷升級，未來也將最終擴展到3D封裝互連。

　　相比之下，國內(nèi)本土半導體廠商在Chiplet這一塊一直以來都比較欠缺。據(jù)了解，UCIe聯(lián)盟成員共分為三個級別，分別是發(fā)起人、貢獻者(Contributor)和采用者(Adopter)，發(fā)起人由董事會組成并具有領導作用，貢獻者和發(fā)起者公司可以參與工作組，而采用者只能看到最終規(guī)范并獲得知識產(chǎn)權保護。

　　目前，UCIe聯(lián)盟目前僅開放后兩個會員級別申請。此前已有芯原、芯耀輝、芯和半導體、芯動科技、芯云凌、長芯存儲、長電、超摩科技、奇異摩爾、牛芯半導體、OPPO等多家大陸企業(yè)先后宣布加入UCIe行業(yè)聯(lián)盟，隨著中國Chiplet生態(tài)圈不斷壯大，阿里巴巴也在今年8月入選了董事會成員，標志著UCIe進入一個新的里程碑。

　　有人認為，Chiplet對中國解決先進芯片技術瓶頸具有重要意義，是中國市場換道超車重要技術路徑之一。不過，清華大學教授魏少軍卻指出，Chiplet處理器芯片是先進制造工藝的“補充”，而不是替代品。“其目標還是在成本可控情況下的異質集成。”清華大學集成電路學院院長吳華強也表示，Chiplet不是先進芯片制造的替代品，但它們可能有助于中國建立“戰(zhàn)略緩沖區(qū)”，提高本地的性能和計算能力，以制造用于數(shù)據(jù)中心服務器芯片。

　　部分巨頭推出Chiplet相關產(chǎn)品

　　值得一提的是，小芯片Chiplet技術的落地并非是廠商們的空談，像英特爾、AMD、ARM等均已經(jīng)推出了Chiplet小芯片架構。

　　英特爾在2021年架構日時就披露了有關其下一代至強可擴展平臺的功能，其中之一是向tiled架構的轉變。英特爾將通過其快速嵌入式橋接器組合四個 tile/chiplet，從而在更高的內(nèi)核數(shù)下實現(xiàn)更好的CPU可擴展性。此舉也跟其他公司一樣，通過“更小的核心”或“連接在一起的單個chiplet”這兩種途徑之一，來實現(xiàn)更多的服務器平臺核心數(shù)量。

　　(基于Chiplet技術的芯片結構示意 圖源：英特爾)

　　此前，AMD曾推出基于臺積電3D Chiplet封裝技術的服務器處理芯片。在今年11月，AMD正式發(fā)布了采用RDNA3架構的新一代旗艦GPU——RX7900XTX和RX7900XT。AMD表示，這是公司首度在GPU產(chǎn)品中采用小芯片(Chiplet)技術，即臺積電的“3D Fabric”技術，也是全球首個導入Chiplet技術的游戲GPU。與使用更傳統(tǒng)GPU設計的RDNA2相比，該款產(chǎn)品擁有多達580億個晶體管，每瓦特性能提升了54%，并且提供高達61TFLOP的算力;

　　(AMD的Chiplet設計 圖源：AMD)

　　同樣，在2019年美國圣塔克拉拉舉辦的開放創(chuàng)新平臺論壇上，知名IP大廠Arm與臺積電共同發(fā)表業(yè)界首款采用臺積電先進CoWoS封裝解決方案并獲得硅晶驗證的7nm小芯片Chiplet系統(tǒng)，其中內(nèi)建Arm多核心處理器。據(jù)悉，這款小芯片系統(tǒng)成功展現(xiàn)出結合了7nm FinFET制程及4GHz Arm核心所打造出的高效能運算的系統(tǒng)單芯片(SoC)關鍵技術，結合了臺積電創(chuàng)新的先進封裝技術與Arm架構卓越的靈活性及擴充性，為將來生產(chǎn)就緒的基礎架構SoC解決方案奠定絕佳基礎。

　　(圖片來源：臺積電)

　　GPU、FPGA市場應用潛力巨大

　　目前Chiplet已經(jīng)有少量商業(yè)應用，并吸引廣大國際芯片廠商投入相關研發(fā)，在當前SoC遭遇工藝節(jié)點和成本瓶頸的情況下，Chiplet有望發(fā)展成為一種新的芯片生態(tài)。根據(jù)市場研究機構Omdia(原IHS)的預測，2024年Chiplet市場規(guī)模將達到58億美元，而到2035年則將達到570億美元。

　　其中，Chiplet在GPU、FPGA這兩個有著高算力特點發(fā)熱領域應用潛力巨大，具備芯片設計能力的IP供應商更有機會脫穎而出。但與此同時，Chipet未來充滿機遇的同時也有挑戰(zhàn)存在，技術層面上Chiplet面臨著連接標準、封裝檢測、軟件配合等幾方面的挑戰(zhàn)。

　　在連接標準上，不同供應商的Chiplet接口標準不同，比如OpenCAPI、Gen Z、CCIX、CXL等等。因此需要有統(tǒng)一的標準將不同制程/材質的die連接組成一個系統(tǒng);封裝檢測方面，芯片間支持的帶寬大小不同對應了不同的封裝技術，選擇封裝技術的時候需要綜合考慮成本和連接性能。在檢測方面，Chiplet需要在封裝前對裸片(Die)進行測試，相較于測試完整芯片難度更大，尤其是當測試某些并不具備獨立功能的Chiplet時，測試程序更為復雜;軟件配合方面，Chiplet的設計制造需要EDA軟件從架構到實現(xiàn)再到物理設計全方位進行支持，另外各個Chiplet的管理和調用也需要業(yè)界統(tǒng)一的標準。