圍繞小芯片形成的小型聯(lián)盟

受市場增加定制需求的推動，以及已在硅中得到驗證的強化 IP 組合的推動，小芯片的小型聯(lián)盟正在整個行業(yè)興起。

這些松散的合作伙伴正在努力為高度特定的應(yīng)用程序和終端市場開發(fā)類似樂高積木的集成模型。但它們都是從小規(guī)模開始的，因為事實證明，很難在各種用例中工作的小芯片創(chuàng)建商業(yè)市場。使用標(biāo)準化方案連接小芯片是一回事，例如通用小芯片互連高速 (UCIe)，或使用英特爾或三星開發(fā)的橋接器。期望它們在不同計算負載和操作條件下的異構(gòu)設(shè)備中工作是另一回事。

很難預(yù)測不同的小芯片如何相互作用，以及它們在不同用例下的表現(xiàn)。即使使用最好的仿真工具，也沒有足夠的數(shù)據(jù)，而且對于許多應(yīng)用來說可能永遠如此。但是，除非這些小芯片在其他組件和不同用例的背景下得到充分表征，否則可能會出現(xiàn)涉及熱管理、各種類型的噪聲、不同的壓力和不一致的老化等問題，所有這些都會影響現(xiàn)場的可靠性。

另一方面，小芯片已被證明在受控情況下工作得非常好。十年來，AMD 和 ASE 一直在小芯片和圖形子系統(tǒng)方面進行合作。Marvell 從 2016 年開始使用小芯片。英特爾代工業(yè)務(wù)正在為基于小芯片的數(shù)據(jù)中心客戶定制系統(tǒng)。

圖 2：AMD 的 EPYC 架構(gòu)集成了不同的工藝技術(shù)。來源：Synopsys/AMD/Chiplet Summit

然而，所有這些公司都依賴內(nèi)部采購的小芯片來創(chuàng)建本質(zhì)上是分解的 SoC，他們可以完全控制系統(tǒng)?，F(xiàn)在的挑戰(zhàn)是開始開發(fā)小芯片和適合小芯片的架構(gòu)，這些架構(gòu)可以在任何供應(yīng)商的設(shè)備上進行商業(yè)銷售。

「在某些方面，我們正處于一個新時代，」日月光集團研究員兼高級技術(shù)顧問 Bill Chen 說?！竷?yōu)化是一種選擇，允許這些選擇對我們來說很重要。我們也處在一個開放共享的時代。小芯片、SiP、異構(gòu)集成，我們從最困難的領(lǐng)域開始，也就是高性能計算。有兩個原因。一是這是最需要它的市場部門。二是，這是開發(fā)這些產(chǎn)品的地方，也是解決這些問題的技術(shù)所在。然后我們可以轉(zhuǎn)向通信和其他市場，例如可穿戴設(shè)備和醫(yī)療應(yīng)用。」

這就是不同供應(yīng)商開發(fā)的商業(yè)小芯片適用的地方。但正如處于這一轉(zhuǎn)變前沿的公司將證明的那樣，從不同供應(yīng)商采購小芯片增加了一系列全新的挑戰(zhàn)。即使這個想法在理論上是有意義的，它也從未實現(xiàn)過。

「三星電子正在構(gòu)建自己的生態(tài)系統(tǒng)，」三星電子知識產(chǎn)權(quán)和生態(tài)系統(tǒng)營銷總監(jiān) Kevin Yee 說?！讣幢闳绱?，我們也學(xué)到了很多事。從技術(shù)角度來看，chiplet 已經(jīng)存在并得到了驗證。但目前，它們都是垂直整合的。因此，小芯片作為一種解決方案存在并且正在發(fā)揮作用。每個人都將首先開始構(gòu)建自己的微生態(tài)系統(tǒng)，以確保其正常運行。所以一家公司會做一個 I/O 芯片，一個會做互連，一個會做數(shù)據(jù)芯片。你將確定如何構(gòu)建它以及如何構(gòu)建可行的東西。但最重要的是，你可以在 6 個不同的計算芯片或 10 個不同的 I/O 芯片之間進行選擇，選擇內(nèi)存芯片，然后將它們放在一起。在那之前，我們還有很長的路要走?！?/span>

同樣，專注于先進封裝和小芯片設(shè)計的 Palo Alto Electron (PAe) 正在率先成立自己的小芯片聯(lián)盟，其中包括 Promex Industries（系統(tǒng)集成）、Thrace Systems（功耗分析）、Palo Alto Electron（先進封裝和小芯片設(shè)計）、iTest（可靠性和故障分析）、Hyperion（系統(tǒng)級設(shè)計、互連和高級封裝）和 Anemoi Software（熱求解器）。

「這是一個最低限度的可行生態(tài)系統(tǒng)，所有這些公司都在美國，」PAe 首席執(zhí)行官 Jawad Nasrulla 說。「我們將尋找解決特定技術(shù)問題的小型企業(yè)和創(chuàng)新型初創(chuàng)公司。例如，Anemoi Software 專注于小芯片的熱建模。功率/熱能是進行設(shè)計的關(guān)鍵支持技術(shù)。Palo Alto Electron 擁有構(gòu)建 IC 的經(jīng)驗，在過去的七年中，我們一直在使用小芯片來做這件事。這些公司中的每一個都是某個領(lǐng)域的專家。現(xiàn)在我們需要學(xué)習(xí)如何與彼此合作。」

正在創(chuàng)建的一些小芯片本身就是模塊或微型系統(tǒng)，而不是像特定 I/O 這樣的獨立 IP，至少已經(jīng)完成了一些集成工作。但隨著商業(yè)小芯片市場的發(fā)展，可能會有更多針對特定工作或功能的小芯片，而不是完整的子系統(tǒng)。這可以讓客戶在 chiplet 架構(gòu)中添加可編程性和更多可定制性，而無需更改整體架構(gòu)，這類似于英特爾和 Marvell 所走的道路。

「看看小型、中型和大型汽車，每一種都需要完全不同數(shù)量的電子設(shè)備，」Fraunhofer IIS 自適應(yīng)系統(tǒng)部工程高效電子部門負責(zé)人 Andy Heinig 說?！感⌒酒屇阕兊酶屿`活。但在未來可能能夠?qū)⑿⌒酒M合在一起以創(chuàng)建更大的小芯片。你可以用這種方式配置你的電子設(shè)備，幾乎就像積木一樣，以獲得對汽車的確切需求。」

這需要時間來發(fā)展。目前，許多 chiplet 制造商正在更高層次上解決這個問題。

「小芯片被分解成相對較大的塊，」Promex 的 Otte 說?！高@就像芯片設(shè)計師設(shè)計了單個芯片，然后有人必須將所有這些整合在一起并進行高級設(shè)計，不僅要集成小芯片，還要集成您正在使用的任何互連、基板或中介層技術(shù)，如出色地。第三部分是這個組裝服務(wù)，這是我們的角色。如果這被證明是一個非常成功的模式，并且我們能夠為客戶提供質(zhì)量和良好的經(jīng)濟效益，那么它就有可能像滾雪球一樣滾雪球并成為一項主要活動，我們將陷入更困難的問題，我們有一個許多項目在不同的州進行。這意味著不同種類的協(xié)調(diào)?，F(xiàn)在的問題是尋找客戶。稍后將是零件的交付?！?/span>

重新思考老問題

多年來，整個芯片行業(yè)的普遍共識是，業(yè)務(wù)關(guān)系將是 chiplet 市場運作的一大障礙。然而，正如這些小型財團的努力所表明的那樣，也存在許多技術(shù)挑戰(zhàn)。雖然這些財團通常會選擇一個「總承包商」來監(jiān)督設(shè)計到制造流程的各個方面，但已經(jīng)涉及很多步驟，隨著小芯片變得更有針對性和功能更窄，還會有更多步驟。

「當(dāng)你做小芯片時，心態(tài)必須改變，」Yee 說?！负芏嗳巳匀徽J為這就像構(gòu)建 SoC。你現(xiàn)在真的在構(gòu)建一個完整的系統(tǒng)。如何配置計算芯片？我必須有哪些邊帶信號？需要考慮固件。是否設(shè)置為使用該固件并啟動他們的計算芯片？現(xiàn)在有很多系統(tǒng)級的討論涉及人們以前沒有真正考慮過的問題?！?/span>

選擇正確的封裝也是一個挑戰(zhàn)?！改阌羞@么多不同的需求，」Synopsys 的 IP 產(chǎn)品線高級組總監(jiān) Michael Posner 說?！改銜脒@些應(yīng)該能夠?qū)⒚恳粋€都放在一個盒子里，也許可以想出一個適用于所有這些的單一 IP，但事實并非如此。你有不同的凸點間距、不同的性能和功率、不同的寄生效應(yīng)和電源完整性問題。因此，不像我們傳統(tǒng)上為 IP 做的那樣，每個節(jié)點都有一個過孔，可能是南北或東西方向，我們最終有一個用于高級，一個用于標(biāo)準，一個用于 RDL，因為技術(shù)的變化。我們需要在整個生態(tài)系統(tǒng)中開發(fā)的 IP 數(shù)量呈爆炸式增長，目前還沒有明確的領(lǐng)導(dǎo)者?！?/span>

有舊的東西，也有新的東西

當(dāng)然，并非所有這些都是新的。使用先進封裝的 OSAT 和代工廠至少解決了一些挑戰(zhàn)，例如如何處理小芯片、如何確保這些芯片是已知的良好芯片，以及各種互連方案，例如混合鍵合或微凸塊。在 2.5D 實現(xiàn)中，HBM 主要用作可與許多不同配置配合使用的小芯片。

「三星的封裝技術(shù)在為三星代工廠提供完整解決方案方面具有顯著優(yōu)勢，」Yee 說。「該團隊從其在內(nèi)存封裝方面的領(lǐng)導(dǎo)地位中學(xué)到的東西可以應(yīng)用于代工。HBM 是存儲器領(lǐng)導(dǎo)地位的一個很好的例子，封裝中的多芯片使代工小芯片成為可能。當(dāng)我們轉(zhuǎn)向小芯片時，您無法將流程和設(shè)計與封裝分開。他們將齊頭并進。當(dāng)人們想到小芯片時，他們假設(shè)你將能夠直接運行一個到另一個的連接。一般來說，這會奏效。實際上出現(xiàn)偏移怎么辦？我們正在進行測試以確定實際的路由路徑，以確保高信號質(zhì)量?！?/span>

還有一些行之有效的連接小芯片的方法，例如 UCIe、線束 (BoW)、硅中介層、橋接器，甚至混合鍵合。將來，這些方法中的一種以上可能會用于復(fù)雜的設(shè)計，從而為更多創(chuàng)新打開大門。

例如，Eliyan 是一家開發(fā)小芯片互連的初創(chuàng)公司，它專注于通過在小芯片的兩側(cè)構(gòu)建物理互連層 (PHY) 來消除 UCIe 兼容設(shè)計中的中介層?！高@消除了制造、熱管理的任何復(fù)雜性，并使我們能夠儲存我們從舊的 MCM（多芯片模塊）時代學(xué)到的所有東西，」聯(lián)合創(chuàng)始人兼業(yè)務(wù)主管 Patrick Soheili 說?！肝覀冇媱澮晕覀兊募夹g(shù)為基礎(chǔ)構(gòu)建一堆小芯片。所以我們會在一端使用我們的技術(shù)，在另一端使用一些其他東西，并將兩個、三個或四個東西連接在一起。也許它們是 HBM 設(shè)備，也許它們是其他 I/O 控制器。」

將設(shè)備連接在一起的可能方案的數(shù)量正在迅速增長。去年秋天，臺積電推出了 3D Fabric Alliance，以在 3D 封裝中連接不同的層和設(shè)備?！肝覀儞碛?EDA、IP 和設(shè)計服務(wù)，我們還在增加內(nèi)存合作伙伴、幫助我們組裝這些設(shè)備的 OSAT 以及在 3D 中變得極其重要的基板，」臺積電的總監(jiān) Dan Kochpatcharin 說?！高@些設(shè)備可以有 10 厘米高，基板可以有 20 層或更多層。所以我們需要確保我們將他們的路線圖與我們的路線圖對齊，以便我們可以與他們進行交互，也許會有不同的材料一起工作。然后你必須考慮測試整個系統(tǒng)，這并不容易。所以我們正在與 Advantest 和 Teradyne 合作，以及 EDA 供應(yīng)商。IP 在測試中很重要，因為我們需要針對可靠性進行設(shè)計。」

圖 4：TSMC 的 3DFabric 生態(tài)系統(tǒng)模型。來源：臺積電

而這只是出現(xiàn)的一些通用集成方案的開始。在這個市場被整理出來之前還會有更多的東西，并且會有越來越多的證據(jù)表明什么有效，什么無效，以及一些從未被考慮過的新問題。例如，小芯片的不均勻老化會導(dǎo)致各種以前從未解決過的可靠性問題，特別是在預(yù)計設(shè)備可以多年保持功能的市場中。因此，隨著小芯片和封裝經(jīng)濟的發(fā)展，一個領(lǐng)域的成本節(jié)省可能會被另一個領(lǐng)域的成本增加所抵消，而隨著小芯片模型的發(fā)展，客戶今天支付的成本可能會變得不那么有吸引力。

Amkor Technology 高級工程師 Nathan Whitchurch 表示：「我們看到越來越多的客戶決定接受 TIM（熱界面材料，只是為了讓他們的設(shè)備能夠正常工作）的成本?！鼓鞘切胁煌ǖ摹＿^去奇特的東西變得越來越不那么奇特了，比如燒結(jié)銀類別，你最終會在蓋子和芯片之間形成非常堅硬、高導(dǎo)熱性的銀合金基體，別的會更軟。」

結(jié)論

小芯片是合乎邏輯的下一步，因為對于大多數(shù)芯片制造商來說，將所有東西縮小并塞進單個 SoC 的成本變得不經(jīng)濟。這讓業(yè)界很多人都在考慮下一步，并且能夠至少標(biāo)準化軟件包中的某些組件以創(chuàng)建定制解決方案是實現(xiàn)大規(guī)模定制的合乎邏輯的方法。

如果這種方法成功，它可能會改變設(shè)備進入市場的方式，同時允許以低得多的價格進行更多定制。因此，新架構(gòu)的巨大性能提升將在更多的利基市場中出現(xiàn)，而無需從頭開發(fā) ASIC 或 SoC 的沉重代價。如果可以將一些自定義小芯片添加到架構(gòu)中，那么適用于 80% 市場的產(chǎn)品可能仍會對其他 20% 的市場產(chǎn)生巨大好處。但是有很多細節(jié)需要先解決，芯片行業(yè)正在弄清楚這些細節(jié)。這些小型聯(lián)盟是找出問題所在、可以標(biāo)準化的內(nèi)容以及領(lǐng)域?qū)I(yè)知識將在此過程中扮演什么角色的第一步。