Chiplet革命的進(jìn)行時(shí)

在所有關(guān)于chiplet的討論中，重要的是要了解真正的問題是什么，以及行業(yè)在這些問題上的立場(chǎng)。仔細(xì)研究一下，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)三類答案。?

Chiplet、SiP（systems in package）、MDM（multi-die module）…… 圍繞著在集成電路封裝中放入多個(gè)die的舊觀念，有了全新的一套詞匯?，F(xiàn)在，這些詞匯、它們所代表的技術(shù)以及實(shí)現(xiàn)這些技術(shù)所需的供應(yīng)鏈已分成三大類，全部歸入MDM的大標(biāo)題下。

第一類，以最近的大型GPU和數(shù)據(jù)中心CPU設(shè)計(jì)為代表，最符合SiP的概念。第二類，剛剛出現(xiàn)，我們可以稱之為解構(gòu)式SoC。第三類，可能還需要幾年時(shí)間，我們可以恰當(dāng)?shù)胤Q之為基于chiplet的系統(tǒng)。要定義每一類系統(tǒng)，我們應(yīng)該討論它們之間的區(qū)別和共同點(diǎn)。

分區(qū)??

設(shè)計(jì)MDM的第一步是將系統(tǒng)劃分為不同的die。如何劃分以及劃分的原因決定了MDM的最佳類別。在SiP類別中，即那些巨大的GPU和CPU，其分區(qū)基本上與在板級(jí)完成的系統(tǒng)相同。

硬計(jì)算由一個(gè)或多個(gè)以先進(jìn)工藝（如3nm）制造的巨型定制芯片完成。大容量存儲(chǔ)器（通常是堆疊在接口/控制器芯片上的HBM芯片）和支持功能（如控制CPU、I/O功能和系統(tǒng)管理器）則采用獨(dú)立的die。與板級(jí)設(shè)計(jì)相比，SiP的設(shè)計(jì)目標(biāo)是減少die間連接造成的延遲和功耗，并避免在昂貴的主die上加載不需要先進(jìn)工藝節(jié)點(diǎn)的功能。

相比之下，解構(gòu)式SoC設(shè)計(jì)的動(dòng)機(jī)則截然不同。在這一類別中，起點(diǎn)是一個(gè)單一的大型SoC設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)對(duì)于目標(biāo)市場(chǎng)來說過于龐大、功耗過高或過于昂貴，無法作為單個(gè)die實(shí)現(xiàn)。分區(qū)設(shè)計(jì)將設(shè)計(jì)分散到多個(gè)價(jià)格較低的ASIC die上，在die-to-die互聯(lián)的相對(duì)較低速度和較高功耗不會(huì)對(duì)系統(tǒng)規(guī)格造成太大影響的邊界上打破架構(gòu)。

真正基于chiplet的設(shè)計(jì)就像解構(gòu)式SoC，但單個(gè)die不是為MDM設(shè)計(jì)的ASIC，而是現(xiàn)成的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，專門為MDM設(shè)計(jì)并從第三方供應(yīng)商處挑選的chiplet。MDM的設(shè)計(jì)方式與今天通過選擇和組裝硅IP模塊來設(shè)計(jì)SoC的方式基本相同，只是修改chiplet使其與設(shè)計(jì)相匹配的靈活性很小。除非chiplet包含FPGA，否則數(shù)據(jù)表上的內(nèi)容就是你能得到的。

接口????

任何MDM設(shè)計(jì)成功與否的第二個(gè)關(guān)鍵因素是die之間的接口。在SiP類產(chǎn)品中，單個(gè)die幾乎都已使用PCIe總線或HBM接口等標(biāo)準(zhǔn)定義了接口。只需將PCIe總線與MDM領(lǐng)域的電氣和布局環(huán)境相適應(yīng)，就能制定出新的標(biāo)準(zhǔn)：UCIe。因此，對(duì)于SiP而言，接口（如分區(qū)）非常簡(jiǎn)單。

對(duì)于解構(gòu)式SoC和基于chiplet的設(shè)計(jì)，兩個(gè)die之間的接口可能是也可能不是PCIe這樣的高速串行總線。在速度較低時(shí)，它可能只是一條并行總線。對(duì)于較高速的連接，可能需要修改設(shè)計(jì)邏輯，以便使用類似PCIe的總線橋接分區(qū)。除UCIe外，還有其他高速串行選擇，如Open Compute Project的BoW（bunch of wires）標(biāo)準(zhǔn)，或Elian提供的更快的BoW雙向擴(kuò)展?；蛘?，最佳解決方案可能完全是專有的。

對(duì)于專有設(shè)計(jì)來說，這還算好的，但在chiplet世界里，專有接口是行不通的。要讓夢(mèng)寐以求的chiplet開放市場(chǎng)發(fā)揮作用，chiplet必須在不做修改的情況下實(shí)現(xiàn)互操作，而且最好不使用總線轉(zhuǎn)換器或電平轉(zhuǎn)換器。這就需要嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，從焊盤位置到數(shù)據(jù)包格式和命令含義，所有的協(xié)議棧都需要嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)。從目前的進(jìn)展情況來看，實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)還有很長(zhǎng)的路要走。專家建議，只有在特定領(lǐng)域，如汽車ADAS或智能手機(jī)，結(jié)合特定領(lǐng)域的系統(tǒng)架構(gòu)，才能實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

基板??

所有MDM技術(shù)的基礎(chǔ)都是連接die的基板。這種矩形材料既支持die，也支持die間的連接。它還可以安裝無源電氣元件。它的主要職責(zé)是保持非常嚴(yán)格的平面度公差和die位置公差，并為傳輸高頻信號(hào)的緊密金屬線路提供良好的電氣環(huán)境。因此，其電氣、熱和機(jī)械性能至關(guān)重要。

如今的SiP大多使用硅基板（TSMC的硅基板稱之為interposer），因?yàn)楣杌寰哂蟹€(wěn)定性，而且可以在上面印刷非常精細(xì)的圖案，從而實(shí)現(xiàn)非常緊密的金屬線和接合墊。但是，硅基板的尺寸有限，越接近最大尺寸，價(jià)格就越高，而且生產(chǎn)硅基板的晶圓廠擁有專利權(quán)。因此，它們也往往受到交貨期長(zhǎng)和供應(yīng)限制的影響。

有機(jī)基底（傳統(tǒng)集成電路封裝中使用的基底）供應(yīng)廣泛，價(jià)格低廉，而且可以制造相當(dāng)大的尺寸。但是，與硅相比，它們?cè)诰€路和焊盤間距以及可承載的最大信號(hào)頻率方面受到更多限制。

還有其他選擇。Intel提供一種專有的有機(jī)基板，內(nèi)嵌硅片，在die之間架橋，提供硅密度和速度，但成本更接近有機(jī)材料。一些供應(yīng)商正在探索玻璃基板，這種基板可以提供出色的電氣、熱和機(jī)械性能，而成本只是硅的一小部分。更令人感興趣的是，這種玻璃基板可以像太陽能電池陣列那樣生產(chǎn)成巨型面板，從而實(shí)現(xiàn)幾乎無限大小的MDM。但這種能力還需要數(shù)年時(shí)間才能實(shí)現(xiàn)。

分析和測(cè)試?

所有MDM在設(shè)計(jì)、分析和測(cè)試方面都存在特殊問題。如今，SiP中的die通常是單獨(dú)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證的。簡(jiǎn)單的分區(qū)和基于標(biāo)準(zhǔn)總線的接口使這一做法切實(shí)可行。但對(duì)于解構(gòu)式的SoC和基于chiplet的設(shè)計(jì)，最好能將整套die當(dāng)作一個(gè)芯片來設(shè)計(jì)。最新的EDA流程至少在原則上可以做到這一點(diǎn)，但需要特別注意die之間的邊界。

分析是另一回事。除了需要對(duì)單個(gè)die進(jìn)行分析外，MDM還需要對(duì)整個(gè)模塊進(jìn)行電磁、熱和機(jī)械分析。這需要特殊的技能和軟件，有能力的SiP設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)可以負(fù)擔(dān)得起，但規(guī)模較小的團(tuán)隊(duì)可能無法承擔(dān)。EDA供應(yīng)商正試圖將簡(jiǎn)化的多物理場(chǎng)工具集成到他們的平臺(tái)中，以減輕這一挑戰(zhàn)。

測(cè)試是另一個(gè)主要問題。要使大型MDM的故障率達(dá)到可接受的水平，進(jìn)入的die必須幾乎完美無缺。這意味著die測(cè)試的覆蓋面要超出通常的標(biāo)準(zhǔn)。由于測(cè)試設(shè)備無法訪問組裝MDM上的大部分電路，因此單個(gè)die需要廣泛的內(nèi)置自測(cè)試功能，以確保組裝模塊有足夠的測(cè)試覆蓋范圍。

生態(tài)系統(tǒng)????

MDM提供了一個(gè)誘人的機(jī)會(huì)，從巨型代工廠到小型初創(chuàng)公司都樂于抓住這個(gè)機(jī)會(huì)。而SiP提供的機(jī)會(huì)最為渺茫。其強(qiáng)大的開發(fā)人員通常會(huì)設(shè)計(jì)除HBM之外的所有die。然后由一家公司（通常是主要die的代工廠）制造除HBM之外的其他die，并組裝和測(cè)試模塊。

但對(duì)于其他兩類產(chǎn)品來說，一個(gè)更加豐富的生態(tài)系統(tǒng)正在興起。IP供應(yīng)商正在提供接口IP。設(shè)計(jì)服務(wù)公司正在宣傳他們?cè)贛DM die方面的經(jīng)驗(yàn)，或者至少是為MDM die做好了準(zhǔn)備。獨(dú)立的組裝和測(cè)試機(jī)構(gòu)也在宣傳他們?cè)贛DM方面的專業(yè)知識(shí)，無論是實(shí)際的還是期望的。硅基板方面也出現(xiàn)了一些獨(dú)立的供應(yīng)商。

此外，還出現(xiàn)了一些新型初創(chuàng)公司，為chiplet提供基礎(chǔ)架構(gòu)的雛形。有的提供了chiplet庫的雛形。有的提供了chiplet的選擇、互連和基板放置的框架，從而簡(jiǎn)化了即插即用的體驗(yàn)。目前還不清楚其中有多少能達(dá)到chiplet庫和專業(yè)技術(shù)的臨界質(zhì)量，甚至在某個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域取得成功。

但顯而易見的是，人們的興趣是存在的。GPU和CPU巨頭已經(jīng)通過SiP設(shè)計(jì)鋪平了道路。其他fabless發(fā)現(xiàn)自己能力有限，無法實(shí)現(xiàn)真正想要的單一SoC，因此正在探索解構(gòu)式SoC路線。許多設(shè)計(jì)人員正饒有興趣地關(guān)注著一個(gè)具有標(biāo)準(zhǔn)、工具和供應(yīng)鏈的可行chiplet市場(chǎng)的出現(xiàn)。

MDM的真正基礎(chǔ)架構(gòu)正在形成。但如今的實(shí)際產(chǎn)品大多局限于大牌GPU和CPU，主要問題依然存在。我們距離人們所設(shè)想的chiplet開放市場(chǎng)還有幾年的時(shí)間。