科技云報(bào)道原創(chuàng)。
每一次科技創(chuàng)新的浪潮都是通過突破某一項(xiàng)先進(jìn)生產(chǎn)力要素,從而提升人類生產(chǎn)效率所實(shí)現(xiàn);赝叭慰萍几锩牟椒,不難發(fā)現(xiàn),一項(xiàng)先進(jìn)生產(chǎn)力從萌芽到被廣泛使用,其核心在于能否變革人類的生產(chǎn)生活方式,帶來生產(chǎn)效率大幅提升。
Chiplet是平衡性能與成本的“靈丹妙藥”
當(dāng)前,摩爾定律逐步趨近于物理極限,新工藝制程發(fā)展雖然使得芯片的體積與性能不斷迭代,但同時(shí)也帶來了高昂的成本。
據(jù)IBS統(tǒng)計(jì),28nm芯片的設(shè)計(jì)成本在4000萬美元,16nm芯片設(shè)計(jì)成本約1億美元,而5nm芯片的設(shè)計(jì)成本更高達(dá)5.4億美元。
再繼續(xù)發(fā)展下去,先進(jìn)工藝的投入產(chǎn)出比已難以具備商業(yè)合理性,同時(shí)受制于光刻尺寸及晶圓廠良率,單芯片的面積也很難繼續(xù)延伸,未來芯片設(shè)計(jì)的成本將直接“勸退”中小廠商,甚至大廠也需要摸一下自己的口袋。
而Chiplet的出現(xiàn)則是給了整個(gè)行業(yè)一個(gè)新的思路,Chiplet技術(shù)可以將大型7nm設(shè)計(jì)的成本降低25%,5nm及以下的制程節(jié)省的成本更多,基于Chiplet架構(gòu)的芯片設(shè)計(jì)理念也逐步成為后摩爾時(shí)代提升芯片性能及算力的共識(shí)。
簡(jiǎn)單來說,Chiplet技術(shù)就是對(duì)原本復(fù)雜的SoC芯片的解構(gòu),將滿足特定功能的裸片通過Die-to-Die內(nèi)部互連技術(shù)與底層基礎(chǔ)芯片封裝組合在一起,類似于搭建樂高積木一般,最后集成為一個(gè)系統(tǒng)級(jí)芯片,如采用28nm的芯片,通過Chiplet的方式,便可使其性能和功能接近16nm甚至7nm工藝的芯片。
這樣可以通過對(duì)不同功能模塊的芯片選用合適的制程工藝,從技術(shù)方面實(shí)現(xiàn)各功能的最優(yōu)化、成本的最小化、性價(jià)比的最大化、模塊復(fù)用的靈活化。
隨著 Chiplet小芯片技術(shù)的發(fā)展以及國(guó)產(chǎn)化替代進(jìn)程的加速,在先進(jìn)制程受到國(guó)外限制情況下,Chiplet為國(guó)產(chǎn)市場(chǎng)開辟了新思路,有望成為我國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)逆境中的突破口之一。
根據(jù)Gartner預(yù)測(cè),基于Chiplet方案的半導(dǎo)體器件收入將在2024年達(dá)到505億美元左右,2020-2024年間復(fù)合增速達(dá)98%。
近年來,國(guó)外廠商基于Chiplet技術(shù)在各領(lǐng)域都有所嘗試,利用Chiplet技術(shù)在自身CPU、GPU等通用芯片上的應(yīng)用已逐步商業(yè)化,可以將多顆不同工藝、不同功能的小芯片,通過2D、2.5D、3D等各種方式整合在一起,更靈活地制造大型芯片,當(dāng)前AMD推出的銳龍、霄龍?zhí)幚砥,英特爾最新的酷睿、至?qiáng)處理器,都是典型的小芯片架構(gòu),而蘋果M2 Max芯片通過“簡(jiǎn)單”的拼接,更加充分地展示出Chiplet在封裝互連技術(shù)、半導(dǎo)體制造和電路設(shè)計(jì)上的巨大想象空間。
放眼國(guó)內(nèi),在先進(jìn)制程受到國(guó)外限制情況下,國(guó)產(chǎn)化替代進(jìn)程逐漸加速,Chiplet也為國(guó)內(nèi)廠商和市場(chǎng)開辟了新思路,是僅有的幾種可滿足國(guó)內(nèi)日益增長(zhǎng)的大算力需求的方式之一,有望成為我國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)在逆境中的突破口。
同時(shí),面對(duì)碎片化且預(yù)算有限的算力芯片需求,Chiplet可快速部署高性價(jià)比的工程化方案。
全球各大科技巨頭布局Chiplet工藝
以ChatGPT為代表的的AI應(yīng)用蓬勃發(fā)展,對(duì)上游AI芯片算力提出了更高的要求,頭部廠商通過不斷提升制程工藝和擴(kuò)大芯片面積推出更高算力的芯片產(chǎn)品。
2022年,英偉達(dá)發(fā)布H100采用4nm工藝達(dá)到INT8算力1513 TOPS。
然而伴隨摩爾定律逼近物理極限,制程升級(jí)和芯片面積擴(kuò)大帶來的收益邊際遞減,架構(gòu)創(chuàng)新或?qū)⒊蔀樘嵘酒懔α肀脔鑿降倪x擇。
2022年8月,國(guó)產(chǎn)廠商壁仞科技發(fā)布BR100 GPU,采用7nm制程+Chiplet技術(shù),實(shí)現(xiàn)了高達(dá)2048 TOPS算力,創(chuàng)下全球GPU算力新紀(jì)錄。
研究顯示,當(dāng)5nm芯片的面積達(dá)到200mm2以上,采用5 Chiplets方案成本就將低于單顆SoC,并將大幅降低面積增加帶來的良率損失。
臺(tái)積電為Chiplet工藝的領(lǐng)軍者,在其3DFabricTM技術(shù)平臺(tái)下有CoWoS、InFO、SoIC三種封裝工藝。
其中,CoWoS工藝早在2016年就在英偉達(dá)Tesla P100 AI數(shù)據(jù)中心GPU上得到應(yīng)用,而AMD的最新GPU、CPU亦廣泛采用了該工藝。
除臺(tái)積電以外,三星、Intel等龍頭廠商亦各自推出了自己用于Chiplet的封裝技術(shù),如三星I-Cube(2.5D封裝),X-Cube(3D封裝),英特爾EMIB(2.5D封裝),英特爾Foveros(3D封裝)。
此外,除了成本和良率端的優(yōu)勢(shì),Chiplet技術(shù)帶來高速的Die to Die互連,使得芯片設(shè)計(jì)廠商得以將多顆計(jì)算芯粒集成在一顆芯片中,以實(shí)現(xiàn)算力的大幅提升。
蘋果M1 Ultra用了臺(tái)積電InFO_LSI工藝,將兩顆M1 Max進(jìn)行拼接,大幅提升整體性能。
前述的BR100則是采用臺(tái)積電CoWoS-S,將兩顆計(jì)算芯粒進(jìn)行并聯(lián)以實(shí)現(xiàn)算力提升。
中國(guó)版Chiplet技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)亟待制定
作為一種互連技術(shù),Chiplet與其他很多技術(shù)類似,標(biāo)準(zhǔn)的制定對(duì)整個(gè)產(chǎn)業(yè)來說意義重大。
就像樂高積木之所以能夠在全球風(fēng)靡,其中的一個(gè)重要原因就在于其積模件的標(biāo)準(zhǔn)化。
對(duì)于Chiplet來說,能否進(jìn)一步向前發(fā)展,很大程度上取決于能否出現(xiàn)一種將不同芯片模型連接起來的標(biāo)準(zhǔn)接口。
對(duì)于我國(guó)的芯片產(chǎn)業(yè)來說,積極擁抱國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)是一個(gè)必選項(xiàng),定制我國(guó)自己的Chiplet標(biāo)準(zhǔn)更是迫在眉睫。
時(shí)間退回到2020年8月,中科院計(jì)算所牽頭成立了中國(guó)計(jì)算機(jī)互連技術(shù)聯(lián)盟,重點(diǎn)圍繞Chiplet小芯片和微電子芯片光I/O(輸入/輸出)成立了兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)工作組,就前者而言,CCITA于2021年5月在工信部立項(xiàng)了Chiplet標(biāo)準(zhǔn),即《小芯片接口總線技術(shù)要求》,由中科院計(jì)算所、工信部電子四院和國(guó)內(nèi)多個(gè)芯片廠商合作展開標(biāo)準(zhǔn)制定工作。
小芯片接口標(biāo)準(zhǔn)制定集結(jié)了國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈上下游60多家單位共同參與研究。
在去年12月16日舉辦的“第二屆中國(guó)互連技術(shù)與產(chǎn)業(yè)大會(huì)”上,首個(gè)由中國(guó)集成電路領(lǐng)域相關(guān)企業(yè)和專家共同主導(dǎo)制定的《小芯片接口總線技術(shù)要求》團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn),正式通過工信部中國(guó)電子工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)協(xié)會(huì)的審定并發(fā)布。
這是中國(guó)首個(gè)原生Chiplet技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),對(duì)于中國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)延續(xù)“摩爾定律”,突破先進(jìn)制程工藝限制具有重要意義。
這項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)描述了CPU、GPU、人工智能芯片、網(wǎng)絡(luò)處理器和網(wǎng)絡(luò)交換芯片等應(yīng)用場(chǎng)景的小芯片接口總線(Chiplet)技術(shù)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,以靈活應(yīng)對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景、適配不同能力的技術(shù)供應(yīng)商,通過對(duì)鏈路層、適配層、物理層的詳細(xì)定義,實(shí)現(xiàn)小芯片之間的互連互通,兼顧了PCIe等現(xiàn)有協(xié)議的支持,并列出了對(duì)封裝方式的要求。
截至目前,基于Chiplet架構(gòu)進(jìn)行芯片設(shè)計(jì),但由于技術(shù)門檻較高,如果只靠自身完成全部設(shè)計(jì),需要芯片廠商具備從芯片整體的架構(gòu)設(shè)計(jì)到其中并行或者串行物理層接口,甚至先進(jìn)封裝的能力,當(dāng)下只有Intel公司能做到;因此,在我國(guó)首先需形成完整的、面向Chiplet架構(gòu)設(shè)計(jì)芯片的社會(huì)分工,在此基礎(chǔ)上,形成Chiplet標(biāo)準(zhǔn)則更加重要。
在芯片工藝被國(guó)外“卡脖子”的情況下,很多人都認(rèn)為Chiplet是我國(guó)在芯片領(lǐng)域彎道超車的一個(gè)機(jī)會(huì)。
但不要忘了,在實(shí)際駕駛的過程中,彎道超車是要盡力避免的操作,在直線上加速超車才是正確的行為。
芯片產(chǎn)業(yè)的積累也不是短時(shí)間可以完成的,也不是靠抄近道、投機(jī)取巧可以實(shí)現(xiàn)的。
而國(guó)內(nèi)廠商要走“全自研”路線,仍需打磨很長(zhǎng)時(shí)間。
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