打造生態(tài)系 小芯片卷起半導體產業(yè)一池春水

在過去數年的時間，半導體的2.5D異質整合芯片的確解決了很多半導體產業(yè)發(fā)展上所遇到的挑戰(zhàn)，包括舒緩摩爾定律的瓶頸，還有在降低一次性工程費用 ( Non-Recurring Engineering；NRE ) 的同時，還能提供高階處理能力，并且還能提高產量以及縮短產品上市時間。

小芯片生態(tài)系統(tǒng)成形
隨著半導體技術不斷的發(fā)展，在技術上其實已經不太是個問題了。特別是近年來先進制程的開發(fā)不斷傳出新的捷報，在摩爾定律的瓶頸上似乎又被工程界不斷開發(fā)出新的道路。因此看今天的半導體發(fā)展，技術并不是個太大的難題，主要的問題在于一個全新商業(yè)模式的形成。
在今天的半導體業(yè)界，許多大型企業(yè)為了加速芯片整合速度，以及提升半導體密度，因而使用了2.5D芯片。事實上進一步觀察這些廠商的規(guī)模，已經足以走出一條自己的路，并開創(chuàng)出一條自己的半導體小芯片（Chiplet）生態(tài)系統(tǒng)。
至于不到那么大規(guī)模的半導體企業(yè)，最大的挑戰(zhàn)仍是在于現成小芯片設計上的可用性，例如透過這種方式去發(fā)展出異質整合芯片（Heterogeneous SoC；HSoC）。如果不是透過小芯片的方式來發(fā)展異質整合芯片，其初始HSoC開發(fā)的NRE費用將可能會比傳統(tǒng)SoC還更昂貴。

持續(xù)實現獲利
事實上，在半導體制造中的真正革命，所需要的是小芯片的有效商用市場。少了這樣的小芯片生態(tài)系統(tǒng)，小芯片和異質整合芯片仍將永遠是大型半導體制造商的專屬領域，一般中小型半導體廠商根本沒有能力跨入。此類市場的關鍵是適當的庫存、兼容性、資料文文件和可測試性。盡管如此，對于任何的商業(yè)實體來說，其實都需要一條更明確的途徑來實現持續(xù)的獲利，特別是半導體產業(yè)這種動輒花費高額成本的燒錢產業(yè)。
小芯片的推動需要生態(tài)圈中許多不同的角色的參與，而建立小芯片市場的起步，非常需要一個推動的力道，這里所指的力道，其中很關鍵的要素是大量的初期投資，來使小芯片的計劃啟動。在新興市場中，特別是半導體市場，任何先行者都將會面臨著許多不確定性。因此市場的推動者必須準備一筆大量的投資，并且愿意冒險?；旧?，一個強有力的技術推動者（講明了就是一個龐大的財團），很可能正是帶領這種新技術典范起飛的關鍵。

異構3D封裝系統(tǒng)
3D整合和封裝技術的進步，現在使得在包含多種技術小芯片的單一封裝中構建復雜的系統(tǒng)成為可能。
從歷史上看，由于功率、性能和成本方面的考慮，高級整合使用整體式設計來實現。透過包裝和堆棧技術的創(chuàng)新，設計人員可以將其系統(tǒng)與小芯片整合到單一封裝中，這些小芯片可以使用所選定的制程技術來優(yōu)化特定功能。
新興系統(tǒng)要求以極小的接口功率來實現非常高的互連帶寬。實現這一目標的兩個關鍵要素：包括超短距離接口標準和3D整合封裝技術。

先進接口總線AIB
 

圖一 : 可能的異構系統(tǒng)封裝范例，該系統(tǒng)使用AIB作為接口將傳感器、ASIC、FPGA、CPU、內存和I / O串連在一起。

英特爾的先進接口總線（Advanced Interface Bus；AIB）技術，是芯片對芯片的PHY級別傳輸標準，可透過Chiplet的IP庫來實現模塊化的系統(tǒng)設計方法。
AIB使用類似于DDR DRAM接口的并行數據傳輸機制。AIB與制程和封裝技術無關，例如英特爾的嵌入式多晶粒互連橋接（EMIB）或臺積電的CoWoS等封裝技術。英特爾現在提供免版稅的AIB接口授權，以支持廣泛的小芯片設計、服務提供商、代工廠、封裝和系統(tǒng)供貨商等生態(tài)系統(tǒng)。

打造小芯片生態(tài)鏈
許多主要的大型半導體供貨商，例如英特爾、AMD、Marvell，還有一些具有規(guī)模的系統(tǒng)公司（例如思科）都正在投入開發(fā)HSoC異構系統(tǒng)，這些科技大廠基本上特性并不相同，而他們投入開發(fā)異構系統(tǒng)通常也出于不同的原因。
例如英特爾可能就是這種異構技術的最大采用者，且至少已經投入發(fā)展幾種不同的異構產品線。例如透過異構技術來打造出優(yōu)化的處理器產品，以及在FPGA產品在線，透過異質化的架構來完備其FPGA架構，使其FPGA可以允許更高速的運算處理。
至于AMD則是透過異構設計來提高芯片的產量，并允許將重點發(fā)展的產品透過最為最先進且最昂貴的7nm制程技術來生產。而思科之所以采用異構設計，是因為它們的系統(tǒng)已經變得非常龐大，透過異質架構才是最適合的發(fā)展方式。
在所有的這些情況下，工程團隊都在解決非常特定的問題，盡管這些問題不一定會通用到足以被廣泛采用。我們可以發(fā)現，透過小芯片的使用，讓他們能夠將產品推向市場，而且這些產品比起競爭對手的商品還要更有競爭優(yōu)勢。為了避免競爭對手也獲得相同的技術，進而推出相似的競爭產品，這些小芯片的供貨商不太可能與其他廠商共享小芯片技術。

結語


圖二 : 小芯片的設計架構示意

在這樣的商場現實之下，未來主要的半導體公司都將繼續(xù)按著自家私有的小芯片生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展道路走下去。盡管英特爾在幾年前推出了先進接口總線AIB標準，正是針對小芯片之間的相互鏈接而打造，目前Intel也陸續(xù)推出了更新一代的EMIB封裝標準，然而其他小芯片廠商的采用度還有待觀察，在采用上還存在諸多考慮（一般認為多半都是出自于各自的利益使然），這樣的考慮也使得小芯片生態(tài)鏈的發(fā)展受到了些許限制與阻礙。
**刊頭圖（source：intel.com）