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Chiplet的崛起之路,如何突破困局?

來(lái)源:愛(ài)集微 #Chiplet# #芯片#
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半導(dǎo)體行業(yè)對(duì)Chiplet(芯粒)的優(yōu)勢(shì)贊不絕口,包括更快的上市時(shí)間、更出色的性能以及更低的功耗,但要在定制化和標(biāo)準(zhǔn)化之間找到恰當(dāng)?shù)钠胶?,其難度遠(yuǎn)超最初的預(yù)期。

商用Chiplet市場(chǎng)要真正騰飛,需要對(duì)Chiplet的獨(dú)立運(yùn)作和整體運(yùn)作方式有更深入的理解。需要一種一致的方式將Chiplet彼此連接,并將其連接到各種其他組件,對(duì)其進(jìn)行特性描述,以便它們能夠在多種設(shè)計(jì)中重復(fù)使用,并對(duì)其進(jìn)行封裝和測(cè)試。最重要的是,需要一種在設(shè)計(jì)過(guò)程伊始就更輕松地完成所有這些工作的方法。雖然這與軟核(Soft IP)市場(chǎng)有一些相似之處,但轉(zhuǎn)向本質(zhì)上是強(qiáng)化IP集合的市場(chǎng)需要更多的結(jié)構(gòu)和熱分析、更多的物理知識(shí),以及對(duì)所有組件的封裝和最終使用方式有更深入的理解。

“每個(gè)Chiplet都是一塊獨(dú)立的硅片,但它也是主系統(tǒng)內(nèi)部的一個(gè)子系統(tǒng)。它很獨(dú)特,因?yàn)樗幌馭oC里的子系統(tǒng)?!盋adence工程師Moshiko Emmer說(shuō)道,“它必須在某種程度上保持獨(dú)立。你需要單獨(dú)流片。之后你還需要拿回硅片。在將它集成到主系統(tǒng)之前,你至少需要對(duì)其進(jìn)行徹底的測(cè)試和調(diào)試,這意味著它必須具備一些獨(dú)立的功能,或者說(shuō)所有的控制功能,所以這里需要一些復(fù)雜的架構(gòu)?!?/p>

如今,多芯片組件的標(biāo)準(zhǔn)很少,大多數(shù)是由大型系統(tǒng)和高性能計(jì)算(HPC)處理器公司開(kāi)發(fā)的,主要使用內(nèi)部開(kāi)發(fā)的Chiplet。這種情況預(yù)計(jì)在未來(lái)幾年內(nèi)會(huì)有所改變,但這將取決于更標(biāo)準(zhǔn)化的芯片集成方案的普及,這樣就無(wú)需從頭開(kāi)始開(kāi)發(fā)所有組件了。

“例如,如果你看一下架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn),就會(huì)發(fā)現(xiàn)Arm Chiplet系統(tǒng)架構(gòu)(CSA)是兩個(gè)Chiplet之間架構(gòu)通信的重要因素?!盡oshiko Emmer說(shuō)道,“UCIe是允許進(jìn)行這種通信的物理接口,你可以設(shè)計(jì)一個(gè)帶有Chiplet 但不帶有UCIe的2.5D和3D芯片。缺乏標(biāo)準(zhǔn)化的問(wèn)題在于,你可以構(gòu)建定制解決方案,就像大型和超大規(guī)模公司正在構(gòu)建的那樣,這給了他們很大的靈活性,因?yàn)橹灰锢磉B接并符合他們定義的某些架構(gòu)規(guī)范,他們就可以做任何他們想做的事情。他們可以在兩個(gè)不同的Chiplet之間通信。他們可以進(jìn)行3D通信。他們可以進(jìn)行2.5D通信。如果是多個(gè)Chiplet,他們可以進(jìn)行不同類(lèi)型的集成?!?/p>

標(biāo)準(zhǔn)化將有助于使這種方法更加普及?!皹?biāo)準(zhǔn)化可以實(shí)現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟(jì)?!彼f(shuō),“你可以吸引更多參與者參與其中。我們有很多公司參與硅片市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng),尤其是與20年前相比,你可以看到軟件領(lǐng)域也發(fā)生了類(lèi)似的情況。軟件最初是由大公司驅(qū)動(dòng)的,后來(lái)每個(gè)人都擁有一臺(tái)電腦,就像大學(xué)里兩個(gè)孩子坐在車(chē)庫(kù)里發(fā)明了谷歌。你在硅片領(lǐng)域很少看到這種情況。這要困難得多,因?yàn)槟阈枰嗟馁Y金。另一方面,采用標(biāo)準(zhǔn)化的Chiplet技術(shù),可以讓規(guī)模較小的參與者以及目前不從事硅片業(yè)務(wù)的大型參與者加入游戲?!?/p>

Chiplet技術(shù)也為更多行業(yè)合作打開(kāi)了大門(mén)?!袄碚撋?,這是一個(gè)好主意,因?yàn)槿绻也恍枰舛斯に嚰夹g(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)某些功能,那么我可以在較舊的工藝技術(shù)上構(gòu)建Chiplet?!盧ambus的杰出發(fā)明家Steven Woo說(shuō)道,“內(nèi)存標(biāo)準(zhǔn)就是一個(gè)例子。DDR4會(huì)在市場(chǎng)上銷(xiāo)售10年,因此速度范圍已經(jīng)明確,一段時(shí)間后速度不會(huì)再變快。所以,我實(shí)際上并不需要尖端工藝技術(shù)來(lái)構(gòu)建內(nèi)存控制器、接口等等。也許我可以把它們放在Chiplet上,然后繼續(xù)沿用較舊的工藝節(jié)點(diǎn)。既然標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格沒(méi)有變化,我又何必費(fèi)心去做呢?”

一個(gè)持續(xù)的挑戰(zhàn)是如何以一種幾乎肯定行得通的標(biāo)準(zhǔn)化方式將所有東西連接在一起,但又不會(huì)產(chǎn)生過(guò)多的開(kāi)銷(xiāo)。Steven Woo表示:“目前業(yè)界并沒(méi)有很多廣泛遵循的標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)然,還有BoW、UCIE以及許多其他提案。但當(dāng)業(yè)界最終團(tuán)結(jié)起來(lái),確定一兩個(gè)方案時(shí),就能催生出一個(gè)更通用的Chiplet市場(chǎng)。如果你是像英特爾或AMD這樣的垂直整合公司,你可以投入任何對(duì)你有意義的東西。但如果你在談?wù)揅hiplet市場(chǎng),就必須制定這些標(biāo)準(zhǔn)。”

選擇使用哪種標(biāo)準(zhǔn)會(huì)對(duì)設(shè)備的架構(gòu)和權(quán)衡產(chǎn)生影響。Eliyan戰(zhàn)略營(yíng)銷(xiāo)副總裁Kevin Donnelly表示:“2D(有機(jī)基板)和2.5D(硅中介層/橋接器)水平Chiplet連接的設(shè)計(jì)使用類(lèi)似的芯片間接口,例如BoW和UCIe,以及成熟的熱/機(jī)械分析工具。然而,垂直3D連接的接口完全不同,其電氣原理簡(jiǎn)單得多,但物理外形尺寸嚴(yán)格得多,并且熱約束和機(jī)械約束極具挑戰(zhàn)性。例如,由于上方DRAM堆棧的熱約束,定制高帶寬存儲(chǔ)器(HBM)的早期設(shè)計(jì)人員無(wú)法在基礎(chǔ)芯片中包含所需的邏輯,這讓他們感到沮喪。”

這為芯片設(shè)計(jì)增添了新的亮點(diǎn)?!斑^(guò)去,考慮這些事情很重要,但不一定從一開(kāi)始就在設(shè)計(jì)藍(lán)圖上進(jìn)行?!盨teven Woo說(shuō)道,現(xiàn)在,這些事情從第一天起就納入設(shè)計(jì)規(guī)劃,它會(huì)影響到封裝和可用的I/O數(shù)量等因素,因?yàn)镮/O變得越來(lái)越重要。此外,我們看到,物理效應(yīng)正一代又一代地成為架構(gòu)的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素。因此,物理限制——比如散熱、供電、I/O數(shù)量——在很多方面都限制了布局以及散熱等方式。這意味著你必須提前考慮這些事情,否則日后可能會(huì)陷入大麻煩。這并不是說(shuō)過(guò)去業(yè)界沒(méi)有合作,而是這促使業(yè)界更加緊密地合作,以確保架構(gòu)師能夠提前了解兩年后市場(chǎng)上會(huì)出現(xiàn)哪些產(chǎn)品。從技術(shù)角度來(lái)看,如果先進(jìn)封裝不是未來(lái)最重要的發(fā)展方向,那么它絕對(duì)是推動(dòng)和促成行業(yè)諸多積極變革的最重要因素之一。

這更加強(qiáng)調(diào)了早期的可行性和探索?!斑^(guò)去,PCB設(shè)計(jì)只是敷衍了事?!毙滤伎萍迹⊿ynopsys)產(chǎn)品管理總監(jiān)Keith Lanier表示,“從事系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)的人員用電子表格程序來(lái)做。他們可能有MATLAB模型或類(lèi)似的東西,并且有自己的方法從架構(gòu)層面判斷系統(tǒng)是否能正常工作。那種日子已經(jīng)一去不復(fù)返了。我們擁有更好的工具,能夠盡早進(jìn)行研究,并擁有具有物理感知能力的功能架構(gòu)設(shè)計(jì)。關(guān)鍵在于,即使在編寫(xiě)任何一行RTL代碼之前,你也必須開(kāi)始考慮需要應(yīng)用于系統(tǒng)的工作負(fù)載。你需要使用功能架構(gòu)來(lái)驅(qū)動(dòng)物理架構(gòu),然后將物理數(shù)據(jù)反饋回來(lái),以便盡早調(diào)整功能架構(gòu)?!?/p>

Chiplet的優(yōu)勢(shì)之一是它們可以用來(lái)調(diào)整設(shè)計(jì)以適應(yīng)特定的用例和工作負(fù)載。但對(duì)于依賴標(biāo)準(zhǔn)化Chiplet的主流應(yīng)用而言,這種靈活性和定制化程度將取決于Chiplet標(biāo)準(zhǔn)的制定嚴(yán)格程度。

“與汽車(chē)或工業(yè)應(yīng)用相比,數(shù)據(jù)中心對(duì)Chiplet系統(tǒng)的要求有所不同?!备诙骰舴騃IS/EAS高效電子部門(mén)負(fù)責(zé)人Andy Heinig表示,“汽車(chē)和工業(yè)應(yīng)用不需要達(dá)到最高的能效,而數(shù)據(jù)中心則需要非常高的能效。但像BoW和UCIe這樣的協(xié)議效率不夠高。因此,如果自行實(shí)施,效率會(huì)更高,因?yàn)槟銦o(wú)需支持不必要的功能。從數(shù)據(jù)中心的角度來(lái)看,這是一個(gè)大問(wèn)題。”

Chiplet旨在實(shí)現(xiàn)最高的性能或效率,而非與目標(biāo)應(yīng)用之外的設(shè)備實(shí)現(xiàn)互操作性。但市場(chǎng)上的其他公司通常希望Chiplet具有互操作性且經(jīng)濟(jì)高效,這使得他們?cè)诠暮托阅芊矫嫣幱诹觿?shì)。

Andy Heinig表示:“目前看來(lái),尤其是在UCIe方面的開(kāi)發(fā)最終會(huì)導(dǎo)致IP價(jià)格高昂。他們必須支持許多模式。對(duì)于某些更高的通信層,如果你認(rèn)為可以在UCIe上使用PCIe,那么就需要PCIe IP,而這非常昂貴。這使得整個(gè)通信IP非常昂貴,這就是我們目前看到的。我們最初預(yù)計(jì)die-to-die接口的成本會(huì)很低,以便每個(gè)人都可以使用,但現(xiàn)在IP價(jià)格非常昂貴,這使得工業(yè)應(yīng)用很難使用。汽車(chē)行業(yè)也是如此,因?yàn)槠?chē)行業(yè)非常注重成本,會(huì)認(rèn)真考慮IP是否從成本角度滿足其需求。”

BoW的成本可能更低,但它缺乏UCIe那樣的互操作性廣度?!拔覀兡壳罢J(rèn)為這是一個(gè)先有雞還是先有蛋的問(wèn)題?!盇ndy Heinig說(shuō),“我們需要更多原型演示,才能弄清楚哪些是真正必要的,因?yàn)橛行╅_(kāi)發(fā)還是PPT,有些人只是寫(xiě)下了對(duì)未來(lái)的期望,但并沒(méi)有真正從清晰的應(yīng)用角度出發(fā)。我們?cè)谄渌麉f(xié)議上也看到過(guò)這種情況。它們是一步一步、一代一代地開(kāi)發(fā)出來(lái)的,只加入了必要的內(nèi)容。而我們的感覺(jué)是,標(biāo)準(zhǔn)中幾乎包含了所有東西,之后再進(jìn)行梳理非常困難?!?/p>

對(duì)于Chiplet來(lái)說(shuō),選擇協(xié)議是一項(xiàng)重要的決定?!癠CIe有針對(duì)電路板的協(xié)議,即使Chiplet彼此靠近(即使距離只有4~5毫米),如果想要高速通信,芯片之間的連接線仍然很大?!盇nsys產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)總監(jiān)Marc Swinnen表示,“我們看到UCIe似乎是最常用的協(xié)議,但BoW和其他一些協(xié)議也在使用。EDA供應(yīng)商開(kāi)始推出專(zhuān)門(mén)針對(duì)這些設(shè)計(jì)的UCIe開(kāi)發(fā)/實(shí)用程序套件。但專(zhuān)有協(xié)議(例如英偉達(dá)的NVLink)仍在使用,它們是整個(gè)Chiplet生態(tài)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要組成部分。”

現(xiàn)在的一大挑戰(zhàn)是一開(kāi)始就權(quán)衡盡可能多的利弊,然后制定一個(gè)針對(duì)特定應(yīng)用所需的優(yōu)化計(jì)劃。

Ansys產(chǎn)品管理總監(jiān)Suhail Saif表示:“業(yè)內(nèi)從事這些設(shè)計(jì)的客戶和用戶一直在進(jìn)行權(quán)衡。這是每天都要做的事情。他們希望找到一個(gè)最佳平衡點(diǎn),既不會(huì)在性能和容量上做出過(guò)多妥協(xié),也不會(huì)在功耗上過(guò)度優(yōu)化,同時(shí)又能控制功耗范圍,以免給系統(tǒng)的其他部分帶來(lái)負(fù)擔(dān)。這是一個(gè)持續(xù)的挑戰(zhàn),即使是業(yè)內(nèi)的功耗優(yōu)化解決方案,也始終需要在優(yōu)化不足和過(guò)度優(yōu)化之間保持微妙的平衡。EDA解決方案能夠?yàn)樵O(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)提供大幅提升功耗的建議,但它們?nèi)狈η擅畹胤治龉膶?duì)設(shè)計(jì)性能或功能影響的能力,因?yàn)樗鼈儗?shí)際上只關(guān)注功耗這一單一指標(biāo)。這始終是一個(gè)挑戰(zhàn)?!?/p>

Chiplet的靈活性

Chiplet的一大吸引力在于它能為設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)提供極大的靈活性。無(wú)需重新設(shè)計(jì)整個(gè)多芯片設(shè)計(jì),即可輕松更換Chiplet,這對(duì)于縮短產(chǎn)品上市時(shí)間并針對(duì)特定工作負(fù)載和應(yīng)用而言是巨大的優(yōu)勢(shì),但到目前為止,這種能力僅限于少數(shù)芯片制造商。

“微處理器公司確實(shí)利用了可重復(fù)使用部件所帶來(lái)的靈活性。”Ansys的Marc Swinnen說(shuō)道,系統(tǒng)有些部分他們無(wú)需在不同產(chǎn)品之間重新設(shè)計(jì),因?yàn)樗鼈兊墓δ芟嗤?。他們只需將相同的芯片集成到一起即可。這適用于多CPU版本。你可以擁有8、12或24 CPU版本,只需添加更多Chiplet即可??芍赜眯允瞧渲泻苤匾囊徊糠郑诋a(chǎn)品設(shè)計(jì)中提供的靈活性無(wú)疑正是他們充分利用的優(yōu)勢(shì)。因此,他們非常重視確保其盡可能地可重復(fù)使用。但始終存在一個(gè)權(quán)衡:是從一開(kāi)始就完全定制還是重復(fù)使用?以蘋(píng)果為例,他們擁有Arm的許可證,但他們不采用Arm預(yù)先設(shè)計(jì)的Arm公版架構(gòu)版本。他們自己設(shè)計(jì)并進(jìn)行最大程度的優(yōu)化。但大多數(shù)人最好還是采用Arm優(yōu)化過(guò)的軟核。這始終是一個(gè)權(quán)衡。你隨時(shí)可以將其推向極限并重新設(shè)計(jì)。“為了獲得極致的優(yōu)化速度,你可以自己動(dòng)手,但這樣做是否值得你投入時(shí)間和精力,從而獲得更高的收益?或者,即使可重復(fù)使用的芯片需要一定的成本,你還是選擇重復(fù)使用芯片更好?”

除了性能和功耗之外,其他關(guān)注點(diǎn)還包括可靠性和安全性?!罢f(shuō)到可靠性,可以看看USB接口。”Marc Swinnen說(shuō)道,“沒(méi)有人會(huì)自己設(shè)計(jì)USB。USB的設(shè)計(jì)是經(jīng)過(guò)安全測(cè)試的,而且你也知道你不想冒險(xiǎn)通過(guò)所有可能的排列組合來(lái)驗(yàn)證自己的設(shè)計(jì)。采用現(xiàn)有的設(shè)計(jì)更安全,因?yàn)槟阒浪行?。Chiplet市場(chǎng)在概念上與IP市場(chǎng)并沒(méi)有本質(zhì)區(qū)別。細(xì)節(jié)更復(fù)雜,需要考慮的問(wèn)題也更多,但我認(rèn)為我們沒(méi)有理由像克服IP那樣克服這些問(wèn)題。我們轉(zhuǎn)向IP的原因仍然適用于Chiplet?!?/p>

然而,需要多少個(gè)Chiplet標(biāo)準(zhǔn)尚不清楚。“這肯定正在全面討論和開(kāi)發(fā)中,”Marc Swinnen說(shuō),“新標(biāo)準(zhǔn)必須比現(xiàn)在更豐富。有信號(hào)接口標(biāo)準(zhǔn)。還必須有一個(gè)熱標(biāo)準(zhǔn),而IP塊以前從未有過(guò)這樣的標(biāo)準(zhǔn)。還必須有一個(gè)機(jī)械軌道標(biāo)準(zhǔn)。還有厚度標(biāo)準(zhǔn)。你看,即使是今天的2.5D堆棧,有些芯片比其他芯片厚,他們必須在它們上面放置小型虛擬硅片,才能形成一個(gè)光滑的表面,方便散熱器連接。因此,與常規(guī)IP相比,需要標(biāo)準(zhǔn)化的問(wèn)題更多,但這只是相同原則的延續(xù),只是涉及更多物理知識(shí)?!?/p>

后續(xù)Chiplet會(huì)怎樣發(fā)展?

短期內(nèi),可以解決一些容易實(shí)現(xiàn)的難題,以推動(dòng)Chiplet方法的發(fā)展,包括安全性、測(cè)試、功耗和時(shí)鐘。長(zhǎng)期問(wèn)題在于弄清楚不同的Chiplet如何相互作用。

西門(mén)子EDA中央工程解決方案總監(jiān)Pratyush Kamal表示:“對(duì)于其中一些,你必須讓Chiplet更加自主。最終,Chiplet與傳統(tǒng)芯片定義之間的界限將會(huì)模糊。我們往往會(huì)自欺欺人地認(rèn)為Chiplet是一個(gè)需要先進(jìn)封裝的實(shí)體,需要與另一個(gè)Chiplet緊密集成。但Chiplet也可以獨(dú)立于封裝之外。在我看來(lái),今天的芯片設(shè)計(jì)為獨(dú)立工作。一旦所有底架標(biāo)準(zhǔn)化就位,未來(lái)的Chiplet就會(huì)慢慢呈現(xiàn)出這種樣子。我剛剛改變了‘Chiplet’的定義,使其包含兩點(diǎn)。第一,它需要與另一個(gè)Chiplet進(jìn)行更高帶寬的接口——高于通常的帶寬。這種帶寬應(yīng)與其片上性能(片上總線)相當(dāng)。第二,它要么依賴于另一個(gè)Chiplet的資源,要么負(fù)責(zé)管理它們以及底架資源。這才是最終使其成為Chiplet的原因,因?yàn)榧词刮覀兠魈爝M(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化,任務(wù)仍然會(huì)由少數(shù)Chiplet(而非全部)來(lái)委托和決定,而且它的架構(gòu)會(huì)有層次結(jié)構(gòu)?!?/p>

這意味著在創(chuàng)建微架構(gòu)時(shí),可能需要為一些目前尚不存在、可在以后添加的功能做好準(zhǔn)備。Pratyush Kamal表示:“這可能是分配額外的寄存器空間,為以后可能出現(xiàn)的一些應(yīng)用程序定位額外的一次性可編程內(nèi)存空間。一旦進(jìn)入軟件層,一切都變得靈活,你可以做很多事情。但是,當(dāng)芯片仍在制造或測(cè)試中時(shí),沒(méi)有軟件加載。在設(shè)計(jì)Chiplet時(shí)要仔細(xì)思考。在沒(méi)有軟件的裸機(jī)模式下,你如何與另一個(gè)Chiplet通信?在沒(méi)有任何編程的情況下,你將如何做到這一點(diǎn)?這非常關(guān)鍵?!?/p>

(校對(duì)/張杰)

參考鏈接:https://semiengineering.com/chiplet-tradeoffs-and-limitations/


責(zé)編: 李梅
來(lái)源:愛(ài)集微 #Chiplet# #芯片#
THE END

*此內(nèi)容為集微網(wǎng)原創(chuàng),著作權(quán)歸集微網(wǎng)所有,愛(ài)集微,愛(ài)原創(chuàng)

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