Chiplet理念下的芯片設(shè)計(jì)新思路

世界不是平的，半導(dǎo)體行業(yè)亦是如此。

2023 年，生成式AI如同當(dāng)紅炸子雞，吸引著全球的目光。

當(dāng)前，圍繞這一領(lǐng)域的競爭愈發(fā)白熱化，全球陷入百模大戰(zhàn)，并朝著千模大戰(zhàn)奮進(jìn)。

大模型應(yīng)用需要處理大規(guī)模的數(shù)據(jù)，以O(shè)penAI的ChatGPT從第一代大約50億個(gè)參數(shù)，發(fā)展到GPT4.0大約將超過 1T 的參數(shù)，對算力的高需求不必多說。

在這場潮流中，AI芯片成為支撐引擎，為大模型應(yīng)用提供強(qiáng)有力的支持。

在人工智能領(lǐng)域，大模型應(yīng)用的興起，讓芯片的發(fā)展來到了一個(gè)新高度。蓬勃發(fā)展的大模型應(yīng)用所帶來的特殊性需求，正推動(dòng)芯片設(shè)計(jì)行業(yè)邁向新紀(jì)元。眾多頂級的半導(dǎo)體廠商紛紛為大模型應(yīng)用而專門構(gòu)建AI芯片，其高算力、高帶寬、動(dòng)輒千億的晶體管數(shù)量成為大芯片的標(biāo)配。

逐漸的，先進(jìn)封裝技術(shù)如 CoWoS 成為 GPU 的主流選擇，先進(jìn)封裝技術(shù)與 HBM（HBM 作為一種高性能內(nèi)存解決方案被各大芯片廠商廣泛的應(yīng)用）是一對無法忽視的組合，通過多芯片堆疊提高了芯片之間的通信速度和能效，為大模型應(yīng)用提供強(qiáng)有力的支持。

當(dāng)然，芯片設(shè)計(jì)行業(yè)的挑戰(zhàn)并不僅限于大模型應(yīng)用的迅速發(fā)展：

智能手機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、自動(dòng)駕駛汽車等應(yīng)用市場的發(fā)展，各個(gè)領(lǐng)域?qū)π酒囊笤絹碓礁?，因此，半?dǎo)體設(shè)計(jì)和制造商必須利用更精密和復(fù)雜的設(shè)計(jì)方法來滿足這些新的需求。

正如在消費(fèi)電子領(lǐng)域，許多移動(dòng)和手持設(shè)備對低功耗的要求十分迫切。為了實(shí)現(xiàn)低功耗設(shè)計(jì)目標(biāo)，芯片設(shè)計(jì)商不得不采用先進(jìn)的低功耗技術(shù)，包括電源關(guān)斷技術(shù)（PSO）、多供電電壓（MSV）以及動(dòng)態(tài)電壓頻率縮放（DVFS）等技術(shù)。

隨著晶體管數(shù)量的急劇攀升與設(shè)計(jì)師面臨的驗(yàn)證場景越加豐富；特別是Chiplet技術(shù)的火熱也讓芯片設(shè)計(jì)復(fù)雜度，邁向新高峰。

Chiplet技術(shù)被認(rèn)為是后摩爾時(shí)代繼續(xù)提高算力密度的重要技術(shù)之一，也獲得了大模型AI芯片的青睞。

圖片來自：Google

Chiplet技術(shù)將芯片分割成更小的模塊，使得芯片可以采用異構(gòu)設(shè)計(jì)，即不同的模塊可以由不同制造商提供，這為芯片設(shè)計(jì)帶來更大的靈活性和創(chuàng)新空間（更有甚者認(rèn)為：Chiplet 技術(shù)正在改變半導(dǎo)體行業(yè)，其應(yīng)用前景潛力無限）。

根據(jù)研究機(jī)構(gòu) Omdia 報(bào)告，2024 年采用Chiplet 的處理器芯片的全球市場規(guī)模將達(dá) 58 億美元，到 2035 年將達(dá)到 570 億美元。

但也由于Chiplet的發(fā)展剛起步不久，其還面臨著非常多的挑戰(zhàn)，就以其堆疊的設(shè)計(jì)問題而言：電路設(shè)計(jì)和協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)可謂之相輔相成。

2.5D封裝SerDes方法，圖片來自：NASA

Chiplet之間的通信雖然可以依靠傳統(tǒng)的高速Serdes電路來解決，甚至能完整復(fù)用PCIe這類成熟協(xié)議；但這些協(xié)議主要用于解決芯片間甚至板卡間的通信，在Chiplet之間通信用會(huì)造成面積和功耗的浪費(fèi)。

其次，通信協(xié)議是決定Chiplet能否“復(fù)用”的前提條件。如：Intel公司推出了AIB協(xié)議、TSMC和Arm合作推出LIPINCON協(xié)議，但在目前Chiplet仍是頭部半導(dǎo)體公司才會(huì)采用的技術(shù)，這些廠商缺乏與別的Chiplet互聯(lián)互通的動(dòng)力。（如：UCIe聯(lián)盟的誕生，或許可以實(shí)現(xiàn)了通信協(xié)議的統(tǒng)一，IP公司就有可能實(shí)現(xiàn)從“賣IP”到“賣Chiplet”的轉(zhuǎn)型）。

需要特別注意的是：Chiplet理念下的芯片設(shè)計(jì)新思路也是設(shè)計(jì)方法學(xué)在芯片設(shè)計(jì)上體現(xiàn)的一種。

要讓基于Chiplet的設(shè)計(jì)方法從“可用”變?yōu)椤昂糜谩?，或許仍需一個(gè)相對成熟且完整的設(shè)計(jì)流程，以及研制配套的設(shè)計(jì)輔助工具。

結(jié)合以上種種，我們不難發(fā)現(xiàn)：無論是哪種技術(shù)，變革都來自于客戶的需求。

就如對多芯片堆疊技術(shù)的需求與日俱增，催生出Chiplet理念下的芯片設(shè)計(jì)新思路，打開了新的性能和能效維度。

而要滿足這些需求，并沒有一招鮮吃遍天的方法，需要我們走出平面思維的局限，在全新的維度中探索。

審核編輯：劉清