Chiplet，困難重重

大型芯片制造商專注于芯粒，將其視為將更多功能集成到電子設(shè)備中的最佳途徑?，F(xiàn)在的挑戰(zhàn)是如何拉動(dòng)芯片行業(yè)的其他部分，為第三方芯粒創(chuàng)建一個(gè)市場(chǎng)，可以使用特定標(biāo)準(zhǔn)從菜單中進(jìn)行選擇，這些標(biāo)準(zhǔn)可以加快上市時(shí)間，幫助控制成本，并讓其他芯片和內(nèi)部開發(fā)的芯粒一樣可靠地運(yùn)行。。

到目前為止，第三方chiplet的使用情況參差不齊。普遍的共識(shí)是，第三方芯粒市場(chǎng)將在某個(gè)時(shí)候蓬勃發(fā)展，部分原因是購(gòu)買芯粒比構(gòu)建它們更便宜，前提是有足夠的互操作性標(biāo)準(zhǔn)。最大的未知數(shù)是，與內(nèi)部開發(fā)的芯粒相比，這些芯粒的性能如何，這反過來(lái)又會(huì)影響采用的速度、可用的市場(chǎng)機(jī)會(huì)總量以及隨后的市場(chǎng)整合速度。這是由于幾個(gè)變量造成的：

1、據(jù)估計(jì)，所有新啟動(dòng)的芯片設(shè)計(jì)中有 30% 至 35% 供大型系統(tǒng)公司內(nèi)部使用。因此，這些公司不是使用現(xiàn)成的處理器和 IP，而是從頭開始設(shè)計(jì)系統(tǒng)來(lái)優(yōu)化其內(nèi)部流程或數(shù)據(jù)類型。為這些應(yīng)用開發(fā)的一些芯粒是高度專業(yè)化且具有競(jìng)爭(zhēng)力的秘密武器，但這些系統(tǒng)中還有許多其他功能可以由第三方芯粒開發(fā)商開發(fā)。

2、小型聯(lián)盟正在圍繞不同領(lǐng)域形成，例如生物或汽車應(yīng)用。其中一些涉及代工廠和 OSAT，它們開始為本質(zhì)上是裝配設(shè)計(jì)套件制定標(biāo)準(zhǔn)，而另一些則正在有機(jī)開發(fā)。但在所有情況下，重點(diǎn)都是基于芯粒設(shè)計(jì)的大規(guī)模生產(chǎn)，并具有可預(yù)測(cè)的產(chǎn)量。

3、與必須符合特定工藝技術(shù)的軟IP不同，芯粒可以在任何工藝節(jié)點(diǎn)上開發(fā)。它們是否可以從一家晶圓廠互換到另一家晶圓廠還有待觀察。然而，混合和匹配流程節(jié)點(diǎn)的能力為更多選擇打開了大門。例如，開發(fā)人員可以在任何工作效果最好的節(jié)點(diǎn)上創(chuàng)建完全模擬的芯粒，而不是最先進(jìn)節(jié)點(diǎn)的平面 SoC 所需的大部分?jǐn)?shù)字芯片和一些模擬芯片。這開辟了一個(gè)基于 PPAC 的全新潛在市場(chǎng)。

芯粒代表了摩爾定律誕生以來(lái)最根本的轉(zhuǎn)變之一。這個(gè)想法已經(jīng)存在了數(shù)十年，但在 finFET 推出之前，平面微縮的好處始終超過了改造供應(yīng)鏈、設(shè)計(jì)和制造工藝、更新或添加新設(shè)備以及因故障而造成的中斷所帶來(lái)的巨大挑戰(zhàn)。所有這些仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，也是難以預(yù)測(cè)變化速度的主要原因之一。

AMD、英特爾和 Marvell 等大型芯片制造商已經(jīng)證明芯粒的有效性，并且他們正在從其開創(chuàng)性工作中獲益。但如果歷史可以說(shuō)明事情將如何演變，那么這些公司自己開發(fā)所有本質(zhì)上是硬化的知識(shí)產(chǎn)權(quán)在經(jīng)濟(jì)上并不有利。這是他們支持新的互操作性標(biāo)準(zhǔn)（尤其是 UCIe）并推廣商業(yè)市場(chǎng)理念的原因之一。此外，各個(gè)政府機(jī)構(gòu)還制定了利用現(xiàn)成的商用芯粒作為加快上市時(shí)間并最終降低成本的一種方式的目標(biāo)。

圖 1：NIST 的芯粒架構(gòu)。

盡管如此，正如這些初始實(shí)現(xiàn)所證明的那樣，集成芯粒和組裝它們比聽起來(lái)要困難得多。大型芯片制造商通過構(gòu)建芯粒的底盤來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。這允許在特定參數(shù)內(nèi)設(shè)計(jì)芯粒，例如面積、噪聲（電磁、功率、基板等）、互連位置、材料相互作用和許多其他特性。但他們也使用一組對(duì)他們的設(shè)計(jì)很重要的狹窄參數(shù)來(lái)解決問題。

圖 2：AMD 的 EPYC Gen 4 處理器使用芯粒來(lái)實(shí)現(xiàn)不同應(yīng)用的可擴(kuò)展性。

英特爾的芯粒方法類似。（參見下圖 3）

圖 3：英特爾基于計(jì)算芯粒及其多芯片互連橋 (EMIB) 的可擴(kuò)展至強(qiáng)架構(gòu)

“即使你有一套能夠很好地協(xié)同工作的芯粒的指南，您仍然會(huì)遇到各種工藝變化、封裝變化等等，”Advantest America的美國(guó)應(yīng)用研究副總裁 Ira Leventhal 說(shuō)道?！澳梢蕴峁┬酒ヅ浜椭С肿笠频裙δ?，以便更快地發(fā)現(xiàn)缺陷，這樣就不會(huì)產(chǎn)生大量的封裝成本和廢料。但在這個(gè)更復(fù)雜的環(huán)境中，如何優(yōu)化良率？這確實(shí)很重要，即使您有一組可以一起發(fā)揮作用的最佳事物。需要在各個(gè)步驟中采取更多行動(dòng)才能完成這一任務(wù)?！?/p>

芯粒還被高度針對(duì)性地用于其他設(shè)計(jì)，OSAT將它們集成到高級(jí)封裝中。在這些情況下，它們的使用方式類似于強(qiáng)化 IP，而不是作為基于芯粒設(shè)計(jì)的一部分。

“我們看到我們的客戶使用芯粒進(jìn)行高性能計(jì)算以及網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，”ASE 高級(jí)工程總監(jiān)Ou Li,在最近的 CHIPCon 小組會(huì)議上?！八麄冴P(guān)心性能和信號(hào)完整性。例如，您可以使用光纖 I/O 來(lái)替代高速 SerDes。因此，現(xiàn)在芯粒正在多個(gè)市場(chǎng)和多種應(yīng)用中使用，并且未來(lái)的采用率將會(huì)越來(lái)越高?！?/p>

對(duì)于商業(yè)市場(chǎng)，關(guān)于芯粒如何準(zhǔn)確表征的標(biāo)準(zhǔn)仍在制定中。盡管如此，這種方法還是有一些明顯的優(yōu)點(diǎn)。由于芯粒比光罩尺寸的 SoC 更小，因此良率通常更高。真正的集成挑戰(zhàn)來(lái)自芯粒的外部。還存在一些挑戰(zhàn)，包括如何在組裝后單獨(dú)測(cè)試和檢查它們，以及如何測(cè)量芯片移位等內(nèi)容。例如，特定用例的動(dòng)態(tài)功率密度可能會(huì)因電阻和靜態(tài)漏電流而增加熱量。這反過來(lái)會(huì)導(dǎo)致翹曲，從而對(duì)將芯粒固定到位的鍵產(chǎn)生壓力。處理所有這些問題需要新的流程來(lái)在設(shè)計(jì)周期的早期解決這些問題，以及新的設(shè)備和全新的工藝步驟。

芯粒的優(yōu)勢(shì)

使用芯粒有三個(gè)主要原因。首先，無(wú)論工藝節(jié)點(diǎn)如何，它們都可以混合搭配，這大大降低了開發(fā)半導(dǎo)體器件的成本。

“隨著這些特定領(lǐng)域的架構(gòu)越來(lái)越專業(yè)化，如果它真正推動(dòng)我們?yōu)槊糠N架構(gòu)采用差異化技術(shù)，它有可能對(duì)晶圓廠、設(shè)備制造商和其他行業(yè)產(chǎn)生巨大的顛覆性影響。Lam Research 計(jì)算產(chǎn)品副總裁 David Fried 在 SEMI 最近關(guān)于計(jì)算未來(lái)的小組討論中說(shuō)道?！叭绻慊仡?15 到 20 年前，當(dāng)單片集成節(jié)點(diǎn)一個(gè)接一個(gè)地緩慢前進(jìn)時(shí)，我們將異構(gòu)集成所需的一些制程創(chuàng)新視為附加的，并且有點(diǎn)痛苦，這就是為什么我們繼續(xù)前進(jìn)。但現(xiàn)在，如果你看看到達(dá)下一個(gè)節(jié)點(diǎn)的成本，特別是單片集成的成本，那么突然間這些異構(gòu)集成過程看起來(lái)真的很便宜?！?/p>

其次，芯?？梢該Q入或換出設(shè)計(jì)，以針對(duì)特定領(lǐng)域和應(yīng)用進(jìn)行定制。這使得芯片制造商能夠創(chuàng)建高度針對(duì)特定應(yīng)用的設(shè)計(jì)，為更特定的領(lǐng)域和用例定制類似的芯片，無(wú)需從頭開始重新創(chuàng)建所有內(nèi)容即可更新它們，并添加比單個(gè)芯片上可用的更多功能否則將受到十字線尺寸的限制。

英特爾硅架構(gòu)工程師斯瓦德什·喬德里 (Swadesh Chaudry) 表示：“當(dāng)我們期待擁有不同的技術(shù)節(jié)點(diǎn)時(shí)，我們可以將它們混合搭配在一起，并將一些模擬內(nèi)容保留在比最新技術(shù)更穩(wěn)定的技術(shù)中?！?CHIPCon 2023 小組討論?！澳梢詫⒉煌募铀倨髋c相同的計(jì)算引擎集成，并可能通過針對(duì)不同應(yīng)用程序的定制包加快上市時(shí)間。通過封裝中的芯粒，您可以更輕松地做到這一點(diǎn)?！?/p>

芯粒的第三個(gè)主要好處是，即使是首次設(shè)計(jì)，它們也可以下注加快上市時(shí)間，從而使芯片制造商能夠更快地進(jìn)入市場(chǎng)。

“歸根結(jié)底，問題在于 PPA 和上市時(shí)間”，Amkor Technology芯粒/FCBGA 集成副總裁 Mike Kelly 說(shuō)道?！斑@從高端開始。數(shù)據(jù)中心的人員首先推動(dòng)了它，也許也是最困難的。但它正在滲透到我們今天看到的幾乎所有計(jì)算類別。它肯定在數(shù)據(jù)中心。它也出現(xiàn)在個(gè)人電腦市場(chǎng)和手機(jī)市場(chǎng)。汽車正變得計(jì)算密集型，并面臨著與其他汽車相同的限制?，F(xiàn)代節(jié)點(diǎn)價(jià)格昂貴，晶圓成本也很高。您可以通過分解真正高性能的部分來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。這是否變得無(wú)處不在？嗯，這是一條很長(zhǎng)的S曲線。但它肯定會(huì)過渡到新的地方?！?/p>

并且有充分的理由。Synopsys首席戰(zhàn)略官 Antonio Varas 指出，目前只有約 35% 的芯片設(shè)計(jì)項(xiàng)目按計(jì)劃進(jìn)行，約 25% 的項(xiàng)目首次實(shí)現(xiàn)硅成功。與此同時(shí)，需求每年增加 9% 至 11%，而供應(yīng)則增加 7% 至 9%。到 2030 年，需求預(yù)計(jì)將增長(zhǎng) 17%，這主要是因?yàn)榘雽?dǎo)體被用于各種新市場(chǎng)和新應(yīng)用。

挑戰(zhàn)

這就是芯粒發(fā)揮作用的地方。但要使這一切順利進(jìn)行，需要在各個(gè)層面制定標(biāo)準(zhǔn)——而這只是一個(gè)開始。

“你肯定需要標(biāo)準(zhǔn)，”臺(tái)積電現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)解決方案副總裁 Paul Rousseau 說(shuō)?！斑@就是 3DFabric 和 3Dblox 背后的整個(gè)理念，并且有多個(gè)層次。其中一個(gè)級(jí)別是 EDA 端或 I/O，UCIe 正在成為芯片間通信的標(biāo)準(zhǔn)。除非有巨大的好處，否則為什么要使用不同類型的 I/O？另一件事是在硅本身或封裝上。我們肯定有一些我們知道可以使用的信封。挑戰(zhàn)之一是每個(gè)人都有一個(gè)奇特的想法?！斑@將是自sliced bread以來(lái)最好的東西?！钡@需要大量的開發(fā)時(shí)間才能證明。因此，我們正在努力讓人們采用標(biāo)準(zhǔn)解決方案。這就是我們對(duì)硅所做的事情。我們有我們知道可以發(fā)揮作用的設(shè)計(jì)規(guī)則和模型。封裝也有同樣的目標(biāo)。這并不是每次都重新發(fā)明輪子?！?/p>

最初，這意味著商用芯粒的選擇更加有限。但這是否意味著不太優(yōu)化的設(shè)計(jì)更難確定，因?yàn)閷?SoC 分解為不同的強(qiáng)化功能可以讓設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)更輕松地確定這些功能的優(yōu)先級(jí)并劃分設(shè)計(jì)。如果各種芯粒如何組合在一起以及如何測(cè)試它們都有標(biāo)準(zhǔn)，那么隨著時(shí)間的推移，它們也可能比一次性設(shè)計(jì)更可靠。

“必須有人將所有這些整合在一起，進(jìn)行我所說(shuō)的高級(jí)設(shè)計(jì)，不僅集成芯粒，還集成您正在使用的任何互連、基板或中介層技術(shù)，” Promex Industries 總裁兼首席執(zhí)行官迪克·奧特 (Dick Otte) 說(shuō)道。

芯片設(shè)計(jì)的重大變化之一是關(guān)注數(shù)據(jù)如何在芯片中移動(dòng)，隨著需要處理的數(shù)據(jù)量持續(xù)增長(zhǎng)，這一點(diǎn)非常重要。這引發(fā)了一系列變化，例如新材料和不同的設(shè)備組裝方式?；旌湘I合是人們高度關(guān)注的領(lǐng)域之一，而且在行業(yè)活動(dòng)中幾乎總是會(huì)引發(fā)問題。由于需要比標(biāo)準(zhǔn)互連允許的速度更快地傳輸視頻和大圖像，因此該技術(shù)首先在圖像傳感器中實(shí)現(xiàn)。例如，UMC 于 2023 年 2 月與 Cadence 簽署了一項(xiàng)協(xié)議，提供一個(gè)可以加速這一過程的平臺(tái)，特別是對(duì)于成熟節(jié)點(diǎn)，這是許多芯粒將被開發(fā)的地方。

例如，當(dāng)今一些最快的計(jì)算機(jī)使用諸如市售 Arm 內(nèi)核之類的組件。關(guān)鍵在于數(shù)據(jù)路徑和與內(nèi)存的物理連接、硬件-軟件協(xié)同設(shè)計(jì)以及 AI/ML 的稀疏算法。隨著計(jì)算變得更加分散，例如汽車和便攜式設(shè)備與智能城市基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行通信，真正的價(jià)值可能不再在于誰(shuí)創(chuàng)造了最快的處理器，而更多地在于無(wú)縫連接。

更大的挑戰(zhàn)可能在業(yè)務(wù)方面?！皢栴}是這是否會(huì)轉(zhuǎn)化為商業(yè)芯粒市場(chǎng)，您可以從第三方以低廉的價(jià)格采購(gòu)它并將其集成到您的設(shè)計(jì)中，”Varas 說(shuō)?！澳枰牟粌H僅是標(biāo)準(zhǔn)接口。這里有一個(gè)商業(yè)模式的問題。如何鑒定芯粒的資格？你如何測(cè)試它們？所以標(biāo)準(zhǔn)接口將會(huì)出現(xiàn)。但第二部分并不像IP模型的演變那么簡(jiǎn)單。情況要復(fù)雜得多。這項(xiàng)技術(shù)可能是可行的，但它還包括商業(yè)模式、供應(yīng)鏈協(xié)調(diào)等等?！?/p>

此外，商業(yè)芯粒還存在數(shù)據(jù)共享的問題。大型芯片制造商的一大優(yōu)勢(shì)是能夠在公司內(nèi)部共享數(shù)據(jù)，以便可以針對(duì)最終應(yīng)用或用例優(yōu)化芯粒。不同公司之間交換數(shù)據(jù)要困難得多，因?yàn)楣痉浅?dān)心數(shù)據(jù)泄露或被盜。

“有數(shù)據(jù)安全，也有數(shù)據(jù)共享，”Lam的Fried說(shuō)?！斑@些并不相互排斥，人們必須消化這一點(diǎn)。我們開始打破使用云來(lái)完成，我們害怕使用云的事情的障礙。我們正在努力解決的是數(shù)據(jù)共享以獲得更高的價(jià)值。飛機(jī)就是一個(gè)例子。這些飛機(jī)的所有者與飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)制造商共享數(shù)字孿生和數(shù)字線程的維護(hù)記錄和數(shù)據(jù)，并且他們可以對(duì)故障進(jìn)行建模并進(jìn)行預(yù)測(cè)性維護(hù)。航空航天行業(yè)的一些公司正在與所有這些不同的公司共享其產(chǎn)品的私密數(shù)據(jù)，這對(duì)所有這些公司都有好處。這種情況在我們的行業(yè)中并沒有發(fā)生太多。這種情況發(fā)生在銀行業(yè)，比如當(dāng)你刷信用卡時(shí)，它會(huì)立即檢查是否存在欺詐行為。這些模型建立在來(lái)自多個(gè)不同銀行的數(shù)據(jù)之上，并且全部聯(lián)合在一起。這就是我們作為一個(gè)行業(yè)失敗的地方，因?yàn)槲覀冊(cè)谡麄€(gè)生態(tài)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享方面落后于銀行業(yè)和航空航天業(yè) 10 年?！?/p>

系統(tǒng)與芯片

設(shè)計(jì)方面還存在其他挑戰(zhàn)。將芯粒集成到封裝中使設(shè)計(jì)問題遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了單個(gè)芯片的范圍?，F(xiàn)在它是需要協(xié)同工作的芯片的集合，并且不再由單個(gè)團(tuán)隊(duì)在一個(gè)地點(diǎn)開發(fā)。

“我們已經(jīng)從設(shè)計(jì)芯片轉(zhuǎn)向設(shè)計(jì)系統(tǒng)，”Synopsys 的 Varas 說(shuō)。“我們正在處理三個(gè)主要問題。我們有新的復(fù)雜性向量，這需要系統(tǒng)設(shè)計(jì)的并行化。而且我們還缺乏人才。如今，60%的EDA用戶是經(jīng)典半導(dǎo)體公司。另外 40% 是超大規(guī)模企業(yè)、初創(chuàng)公司以及 ASIC 或 IP 供應(yīng)商。2019 年至 2022 年間，先進(jìn)芯片的設(shè)計(jì)啟動(dòng)數(shù)量增加了 44%，但不斷擴(kuò)大的生態(tài)系統(tǒng)也加劇了碎片化。有更多的選擇和復(fù)雜性，這增加了設(shè)計(jì)的破壞性。”

日月光的Li對(duì)此表示同意?！霸O(shè)計(jì)師需要采取與過去不同的做法，過去以 PCB 為中心，使用 GUI 為主的設(shè)計(jì)工具，”她說(shuō)?！八麄儾恍枰O(shè)計(jì)扇出或有源中介層。因此，舊的封裝設(shè)計(jì)人員現(xiàn)在必須管理 LVS（布局與原理圖）、CRV（約束隨機(jī)驗(yàn)證）測(cè)試的 IC 級(jí)工具，并可能運(yùn)行一些 SIPO（串行輸入/并行輸出）分析。我們需要與客戶擁有相同的波長(zhǎng)。此外，封裝變得越來(lái)越大，為了控制翹曲，需要材料和工藝技術(shù)的創(chuàng)新。我們需要擁有已知良好的芯片、已知良好的模塊，并且我們需要進(jìn)行多次測(cè)試插入以確保每個(gè)過程都良好并且能夠產(chǎn)出。最后，組件級(jí)測(cè)試將不再通過，這就是我們采用和實(shí)施系統(tǒng)級(jí)測(cè)試的原因?！?/p>

結(jié)論

Chiplet 將在某個(gè)時(shí)候變得流行，因?yàn)楦緵]有足夠的體積來(lái)支持縮芯粒上所有部件的成本，最終公司將專注于他們最擅長(zhǎng)的事情——他們所謂的秘密武器——并讓其他人開發(fā)對(duì)競(jìng)爭(zhēng)力或差異化沒有貢獻(xiàn)的組件他們的產(chǎn)品。

主要問題（至少在最初）與尋找將芯粒集成到設(shè)備中的標(biāo)準(zhǔn)方法有關(guān)，確保它們隨著時(shí)間的推移按預(yù)期工作，以及如何共享數(shù)據(jù)以便行業(yè)能夠快速發(fā)展。其中包括業(yè)務(wù)和技術(shù)問題，而且數(shù)量很多。盡管大型芯片制造商基本上都是單打獨(dú)斗，但隨著成本受到嚴(yán)格審查以及競(jìng)爭(zhēng)為某些零部件創(chuàng)造了公平的競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境，這種情況將會(huì)發(fā)生變化。但所有這些因素變化的速度以及提供競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的因素將因市場(chǎng)、公司以及整個(gè)行業(yè)出現(xiàn)的技術(shù)、商業(yè)和地緣政治的新發(fā)展而異。

Chiplet 的方向是明確的。有足夠的力量在推動(dòng)它。但在短期內(nèi)，甚至可能更長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，時(shí)機(jī)、獨(dú)特的挑戰(zhàn)和生態(tài)系統(tǒng)合作仍將更加難以應(yīng)對(duì)。