行業(yè)資訊 I 芯粒峰會(huì)：基于芯粒的設(shè)計(jì)面臨哪些挑戰(zhàn)

今年年初，美國硅谷舉辦了“首屆年度芯粒設(shè)計(jì)峰會(huì)”。此次峰會(huì)的主題是：

“摩爾定律”已經(jīng)失效，我們剩下的只有封裝。

在筆者之前的文章中提到過：

如今，來自一家公司的多芯粒設(shè)計(jì)正在大量出貨，他們準(zhǔn)備圍繞芯粒組建自己的生態(tài)系統(tǒng)，而芯粒商店這種愿景目前還只是天方夜譚。

許多公司在制造芯粒時(shí)并未考慮到與其他公司的芯粒一同使用的情況，所以，要使用這些不同公司生產(chǎn)的芯粒進(jìn)行基于芯粒的設(shè)計(jì)，必然需要解決一些技術(shù)問題。這類似于，我們從不同的制造商購買芯片，然后把它們放在一塊 PCB 上，以構(gòu)建一個(gè)可以運(yùn)行的系統(tǒng)，但設(shè)計(jì)這些芯片的公司從未預(yù)想過此種使用場景。

2.5D vs 3D

首先在此澄清，我們討論的是將多個(gè)基于芯粒的設(shè)計(jì)整合到一個(gè)中介層上（硅中介層或有機(jī)中介層），而不是真正的 3D 設(shè)計(jì)，即多個(gè)裸片彼此堆疊。這種設(shè)計(jì)已經(jīng)上市了（例如，索尼的圖像傳感器有一個(gè)包含邏輯、存儲(chǔ)器和傳感器本身的三裸片堆疊）。然而，堆疊多個(gè)裸片通常需要利用硅通孔 (through-silicon vias，TSV)，所以需要非常仔細(xì)地設(shè)計(jì)芯片，以確保所有東西都能對齊。要將不同廠商生產(chǎn)的裸片堆疊成真正的 3D 設(shè)計(jì)，這個(gè)過程相當(dāng)漫長。

目前，任何真正的 3D 裸片堆疊都是由一家公司設(shè)計(jì)的，將一個(gè)大型設(shè)計(jì)分割成多個(gè)裸片。而且除了對齊所有 TSV，還需要解決艱巨的散熱挑戰(zhàn)。

因此，在后文（以及可以預(yù)見的未來）中，我們所說的基于芯粒的設(shè)計(jì)都是指 2.5D 設(shè)計(jì)。

交換格式

如果要完成一個(gè)基于芯粒的設(shè)計(jì)，那么我們的設(shè)計(jì)工具需要具備相應(yīng)的功能來讀取描述芯片的重要信息。目前，有兩項(xiàng)重要的標(biāo)準(zhǔn)化工作。

首先，臺積電在去年 10 月的 OIP 上宣布推出 3Dblox，3Dblox 是一個(gè)開放的標(biāo)準(zhǔn)：

3Dblox 提供了能夠代表當(dāng)前和未來所有 3D-IC 結(jié)構(gòu)的通用語言結(jié)構(gòu)

將 3D-IC 結(jié)構(gòu)模塊化，從而使 EDA 工具和設(shè)計(jì)流程更加簡單和高效

確保標(biāo)準(zhǔn)化的 EDA 工具和設(shè)計(jì)流程符合臺積電 3DFabric 技術(shù)

3Dblox不是本文重點(diǎn)，Cadence 的工具組合支持 3Dblox（上表中的所有綠點(diǎn)）。

另一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是 CDXML，即“Chip Data Exchange Markup Language，芯片數(shù)據(jù)交換標(biāo)記語言”。該標(biāo)準(zhǔn)由 OCP（開放計(jì)算項(xiàng)目基金會(huì)）開發(fā)。在芯粒峰會(huì)的第一天，JEDEC 和 OCP 就宣布正在合作制定這一標(biāo)準(zhǔn)，并將被納入 JEP30，即 JEDEC 的零件模型指南。

那么，至少現(xiàn)在我們有兩個(gè)開放標(biāo)準(zhǔn)：3Dblog 和 CDXML。

通信標(biāo)準(zhǔn)

存在兩個(gè)可行的通信標(biāo)準(zhǔn)：一個(gè)是 Bundle-of-Wires (BoW)，目前用于正在進(jìn)行的設(shè)計(jì)；另一個(gè)是 UCIe (Universal Chiplet Interconnect Express)，其 IP 即將上市。然而，盡管有英特爾、AMD、Arm、谷歌、Meta、高通等公司的背書，且 UCIe 有望成為終極標(biāo)準(zhǔn)，峰會(huì)的參與者依然認(rèn)為 UCIe 標(biāo)準(zhǔn)“尚未完全準(zhǔn)備就緒”。

已知良好裸片

將多個(gè)芯粒封裝到一個(gè)封裝中與只使用單個(gè)裸片并不相同。如果使用單個(gè)裸片，就要在封裝成本和晶圓測試成本之間做出權(quán)衡。測試器較為昂貴，因此在晶圓劃片前耗費(fèi)太多精力進(jìn)行裸片測試比較浪費(fèi)成本。當(dāng)然，封裝也需要成本，所以也不能浪費(fèi)太多封裝。但如果因?yàn)槁闫|(zhì)量不佳而浪費(fèi)了一個(gè)封裝，那么并不算浪費(fèi)了裸片，因?yàn)樗呀?jīng)報(bào)廢了。

如果一個(gè)封裝內(nèi)有多個(gè)裸片，那么成本計(jì)算方式將完全不同。如果在晶圓測試中遺漏了一個(gè)不良裸片，那么當(dāng)它與所有其他裸片一起封裝時(shí)，則不僅僅是浪費(fèi)了一個(gè)不良裸片（以及封裝的成本），也浪費(fèi)了這個(gè)封裝中所有質(zhì)量良好的裸片。另外，多個(gè)芯粒的封裝成本比單個(gè)芯粒要高得多。因此，很有必要在進(jìn)入組裝階段之前，對每個(gè)裸片進(jìn)行全面測試。這些裸片稱為 KGD（Known Good Die），即已知良好裸片。

可以采用一些措施來優(yōu)化封裝過程，例如在只置入部分裸片的情況下測試一個(gè)封裝。如此一來，可以先置入成本低廉的裸片，然后進(jìn)行測試，最后再置入昂貴的裸片（如最先進(jìn)節(jié)點(diǎn)的 CPU 或 GPU）。這樣可以避免由于某個(gè)非常便宜的元件發(fā)生故障而導(dǎo)致某個(gè)昂貴的元件也被迫報(bào)廢。

測試

多芯粒設(shè)計(jì)（甚至是真正的 3D 設(shè)計(jì)）測試遵循 IEEE 1838-2019 標(biāo)準(zhǔn)，即 IEEE 三維堆疊集成電路測試引入架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)。

安全性

安全方面有很多問題。目前處理安全問題的方式是使用硬件信任根。對于一個(gè)基于芯粒的系統(tǒng)，首先需要確定是否信任所有的芯粒，或者判斷從陌生供應(yīng)商那里獲得的一個(gè)或多個(gè)芯粒是否有可能遭到破壞。另外，還需要決定是否用一個(gè)芯粒確保安全性（包含有密鑰的安全飛地等），然后驗(yàn)證所有其他芯粒是否安全。如果很多芯粒都包含需要啟動(dòng)的微處理器，那么可以集中處理，或者，每個(gè)芯粒必須處理自身的安全啟動(dòng)。

正如 Rambus Security 的 Scott Best 所指出的那樣，5nm 的安全性設(shè)計(jì)非常復(fù)雜，幾乎不可能實(shí)現(xiàn)，更不用說反向工程了。但基于芯粒的安全性設(shè)計(jì)則比較容易。

當(dāng)我們把設(shè)計(jì)分解成芯粒時(shí)，SiP 就相當(dāng)于安全性最低的芯粒。

更糟糕的是，雖然在一個(gè) 5nm 的芯片上監(jiān)控大量的內(nèi)部信號幾乎無法實(shí)現(xiàn)，但在一個(gè)多芯粒設(shè)計(jì)中監(jiān)控中介層上的信號卻簡單得多。在實(shí)踐中，這意味著需要對任何與安全有關(guān)的芯粒之間的通信進(jìn)行加密。當(dāng)然，這些芯粒的設(shè)計(jì)初衷并不涉及到彼此協(xié)作，因此加密并不簡單。處理這個(gè)問題的方法通常是使用某種形式的“挑戰(zhàn)-回應(yīng)”模式，但這種模式需要植入到每個(gè)芯粒中。在實(shí)踐中，需要為芯粒制定某種安全標(biāo)準(zhǔn)。

另外還有一些非主流的方法，如差分功率分析 (Differential Power Analysis，DPA)。

故障排查

如果出現(xiàn)故障該怎么辦？使用者可能不了解自己購買的所有芯粒的全部內(nèi)部細(xì)節(jié)，該如何確定哪個(gè)芯粒是罪魁禍?zhǔn)祝?/p>

有些人認(rèn)為這是一個(gè)大問題，但其實(shí)這就類似于確定哪個(gè) IP 模塊引起了 SoC 故障，甚至與確定電路板上哪個(gè)芯片引起了板級故障并無二致。一種方法是假設(shè)這種情況可能發(fā)生，并提供某種方法來啟用和禁用系統(tǒng)的各個(gè)模塊。在微處理器中，這被稱為“chicken bits”。

特殊市場

峰會(huì)期間還有兩個(gè)隨機(jī)出現(xiàn)的話題。

超級計(jì)算機(jī)，即最高端的 HPC，幾乎總是使用 COTS 部件，即“商業(yè)現(xiàn)成（commercial off-the-shelf）”部件，如英特爾/AMD CPU、英偉達(dá) GPU、FPGA 等等。正如 Lawrence Berkeley Laboratory 的 John Shalf 所說：

我們無法承擔(dān)從頭開始自研芯片的成本。

所以對他來說，芯粒提供了一種機(jī)會(huì)——可以購買現(xiàn)成的芯粒（也許可以簡稱為 COTC），并將其緊密地集成到系統(tǒng)中。

其次是汽車。汽車行業(yè)對芯粒不太看好，因?yàn)槠囍信c振動(dòng)有關(guān)的機(jī)械問題都會(huì)引發(fā)可靠性問題；而且汽車的期望使用壽命是二十年。另一方面，自動(dòng)駕駛將像其他技術(shù)一樣受到***極限的限制，因此汽車行業(yè)可能會(huì)迎難而上，因?yàn)闊o論如何，他們最終都需要使用芯粒。Cadence 歐洲學(xué)術(shù)網(wǎng)絡(luò)主管 Anton Klotz 在年初參加一個(gè)汽車會(huì)議時(shí)也聽到了類似消息：

自動(dòng)駕駛芯片的數(shù)量不足以證明成本的合理性。通過將不同供應(yīng)商的芯粒集成在一個(gè)中介層上，有望降低總成本；

芯粒比印刷電路板更節(jié)能；因此這種集成將大有裨益，有助于增加電動(dòng)汽車的續(xù)航能力，并提供更好的性能