Chiplet的未來會(huì)是什么樣子呢？

Chiplet的未來會(huì)是什么樣子呢？它們可能會(huì)改變半導(dǎo)體行業(yè)的結(jié)構(gòu)，將其從摩爾定律的束縛和少數(shù)代工廠的霸權(quán)中解放出來嗎？或者，就像之前的薄膜混合物和multi-die封裝一樣，可能會(huì)分散到幾個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，風(fēng)險(xiǎn)和成本都是可控的。 Chiplet走向的決定因素主要由三個(gè)開放性問題來確定：KGD、互連，以及架構(gòu)。

KGD????

簡(jiǎn)單來說，KGD（known-good-die）是一個(gè)乘法問題。一個(gè)SiP（system-in-package）中正常運(yùn)行的可能性小于每個(gè)在SiP中獨(dú)立工作的die運(yùn)行正常的概率的乘積。這個(gè)數(shù)字隨著SiP中die數(shù)量的增加而急劇減小。解決方案是只使用你知道全部工作正常的芯片，即KGD。

問題在于，沒有所謂的KGD。異常的die會(huì)通過測(cè)試過程混入。Die在處理過程中可能會(huì)受到損害，或在測(cè)試后出現(xiàn)故障?；蛘咚鼈兛梢元?dú)立工作時(shí)是正常的，但在某種特殊的電壓和溫度組合下，在系統(tǒng)中無法正常工作。熵會(huì)像糧倉中的老鼠一樣吞噬掉SiP的良率。

對(duì)于chiplet開發(fā)者來說，首道防線是充分利用現(xiàn)有的測(cè)試技術(shù)。如今，SoC的設(shè)計(jì)者必須在測(cè)試上做出妥協(xié)。他們通常以采用SoC中使用的IP所附帶的測(cè)試方法開始，有時(shí)也以采用這些測(cè)試方法結(jié)束，然后可能會(huì)增加更多的測(cè)試。但是，由于芯片在測(cè)試上花費(fèi)的時(shí)間可能會(huì)占總成本的很大一部分，設(shè)計(jì)者必須在測(cè)試覆蓋面和成本之間取得平衡。

Chiplet自我修復(fù)??

對(duì)于chiplet來說，情況有些不同。SiP通常無法通過低成本的方式來翻新，替換掉有缺陷的die，他們必須報(bào)廢。所以，SiP開發(fā)者可能會(huì)接受chiplet的高單價(jià)，以獲得較低的故障率，從而減少非常昂貴的SiP的報(bào)廢率。

這意味著chiplet供應(yīng)商，特別是那些chiplet可能在同一個(gè)SiP中被多次使用的供應(yīng)商，可以投入更多的精力去獲得出色的測(cè)試覆蓋率，并可以收回這部分成本。他們也可以在內(nèi)置自測(cè)中投入更多，不僅用于現(xiàn)在常用的內(nèi)存，還用于邏輯和模擬電路。

Chiplet供應(yīng)商也可以投入更多的精力進(jìn)行故障分析。通常，測(cè)試電路所有可能出現(xiàn)的失效是不可行的，除了短路或開路，或者死掉的晶體管，還有許多可能的故障，所有這些都需要不同種類的測(cè)試程序。但如果設(shè)計(jì)者可以分析芯片故障并找到根本原因，他們通?？梢源_保這些故障不會(huì)被測(cè)試漏掉。他們甚至能開發(fā)出可以預(yù)測(cè)chiplet后生命周期內(nèi)的未來故障的測(cè)試。

作為最后一道防線，chiplet設(shè)計(jì)者可以創(chuàng)建自我診斷和自我修復(fù)功能的die。這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)存在，至少在研究生論文和關(guān)鍵任務(wù)系統(tǒng)中存在。但它通常不被認(rèn)為值得消耗大量的die面積。不過，如果自我修復(fù)技術(shù)能使價(jià)值數(shù)千美元的SiP免于報(bào)廢，這種想法可能會(huì)改變。

互聯(lián)??

一旦你有了良品die，下一個(gè)挑戰(zhàn)就是互連。在SiP中，互連的最大問題是永遠(yuǎn)不夠，連接不夠、帶寬不夠、傳播延遲不夠小、剛性不足以承受機(jī)械沖擊和振動(dòng)、熱導(dǎo)性不足以來幫助冷卻chiplet，熱膨脹性不足，以防止組件扭曲?；蛘?，更準(zhǔn)確地說，這些限制嚴(yán)重約束了架構(gòu)師如何將SiP劃分為chiplet。這些問題推動(dòng)了chiplet安裝基板的持續(xù)創(chuàng)新。

如今，主要基板材料是有機(jī)材質(zhì)，是single-die傳統(tǒng)封裝使用的材料的延續(xù)。從原材料到印刷和組裝設(shè)備到組裝服務(wù)的供應(yīng)鏈都是成熟的。有機(jī)材料在互連線的精細(xì)程度和間距，以及互連凸點(diǎn)的緊密程度方面存在固有的局限性。另外，這種材料的柔韌性較差，熱膨脹系數(shù)也與硅相去甚遠(yuǎn)。這些特性限制了可安全組裝的multi-die的尺寸和復(fù)雜性。

目前的主要替代品是硅基板。你可以使用IC制造工藝的一種版本來制造硅基板，通常被稱為interposer，這種工藝可以打印出極其精細(xì)的特征，并能很好地控制電氣特性。但這種先進(jìn)的封裝技術(shù)只有少數(shù)幾家供應(yīng)商，主要是最先進(jìn)的代工廠。據(jù)報(bào)道，如果能夠批量生產(chǎn)，僅基板的價(jià)格就可能超過1,000美元。

玻璃替代品???

為尋求中間地帶，Intel正在研究玻璃材料。在最近對(duì)分析師和媒體的一次演講中，Intel的Pooya Tadayon解釋說，玻璃比有機(jī)材料更硬，熱膨脹性接近硅，可以實(shí)現(xiàn)非常精細(xì)的互連功能和穩(wěn)定的大型組件。他預(yù)計(jì)玻璃將在本十年的下半段成為有機(jī)物的替代品。玻璃也為Intel的另一種技術(shù)路徑打開了大門：在基板中加入光波導(dǎo)，將chiplet上的硅光子收發(fā)器互連起來。光互連可以大大提高互連數(shù)據(jù)傳輸速率。

光互連可能幫助解決的另一個(gè)問題很少被討論，但卻像逼近的風(fēng)暴一樣在地平線上若隱若現(xiàn)。那就是安全性。一旦將系統(tǒng)分割成chiplet，就會(huì)使一些關(guān)鍵數(shù)據(jù)通道暴露在不速之客的探測(cè)和觀察之下。從技術(shù)上講，單片SoC也是如此，但只有在裝備精良的故障分析實(shí)驗(yàn)室中才能做到，而且還要付出巨大的努力。在某些應(yīng)用中，惡意方可能會(huì)從SiP中提取他們無法從同等SoC中獲取的數(shù)據(jù)或代碼，這一點(diǎn)令人深感憂慮。這種可能性可能會(huì)迫使架構(gòu)師們認(rèn)真考慮諸如在SiP內(nèi)部進(jìn)行加密數(shù)據(jù)傳輸?shù)劝踩胧?，這對(duì)性能和chiplet的die面積都有影響。

互聯(lián)????

尋找最佳基板的過程中，還有另一個(gè)任務(wù)：如何在互連中傳輸信息。你傳輸數(shù)據(jù)的方式會(huì)影響到基板的需求和系統(tǒng)架構(gòu)師如何在chiplet之間劃分設(shè)計(jì)。

最明顯的方法是將chiplet看作SoC上的IP模塊。你可以在die上用單獨(dú)的線路連接IP模塊，用于時(shí)鐘和控制等信號(hào)，并用寬并行總線連接數(shù)據(jù)。在一個(gè)die上，你可以根據(jù)帶寬需求來調(diào)整總線的寬度。那么為什么不用同樣的方式連接chiplet，使用單獨(dú)的線路連接時(shí)鐘和控制信號(hào)，然后使用寬總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸呢？

如果非常小心，這種方法在時(shí)鐘和控制信號(hào)方面效果很好。但是，即使使用了先進(jìn)的封裝，die之間的互連長(zhǎng)度也要比die上的互連長(zhǎng)度大得多，因此，速度更慢、功耗更高。這些單獨(dú)的時(shí)鐘和控制信號(hào)將輸出到驅(qū)動(dòng)焊盤，占用空間和功耗。而且，接觸特定chiplet的互連線數(shù)量相當(dāng)有限，尤其是有機(jī)基板。因此，如果你真的想在一個(gè)小chiplet上布線2,000條，那將會(huì)很困難，甚至不可能。

還有另一個(gè)問題。當(dāng)你通過并行總線發(fā)送原始數(shù)據(jù)時(shí)，接收器必須等到一個(gè)給定傳輸?shù)乃斜忍囟嫉竭_(dá)后，才能從總線上讀取數(shù)據(jù)。但是，總線越長(zhǎng)（die之間的距離可能是幾毫米或厘米）最快和最慢的比特之間可能會(huì)有更大的偏差。必要的等待時(shí)間會(huì)減慢總線周期，從而降低帶寬。因此，雖然將chiplet視為在on-die的IP是合理的，但可能并不實(shí)際。

高速串行????

還有一個(gè)方便的類比。為什么不把chiplet當(dāng)作電路板上的獨(dú)立芯片呢？計(jì)算機(jī)行業(yè)已經(jīng)有了一種廣泛使用的封裝間傳輸標(biāo)準(zhǔn)，PCIe（Peripheral Component Interconnect Express）總線。PCIe通過將并行的信號(hào)束轉(zhuǎn)化為串行的脈沖，對(duì)其進(jìn)行編碼，并通過特殊的高速串行發(fā)射器以比并行總線更高的每秒符號(hào)率將其發(fā)射出去，克服了擁塞和時(shí)序的問題。接收器在另一端解碼傳入的波形，重建脈沖，并將它們轉(zhuǎn)換回并行比特。PCIe通過使用多通道此類串行收發(fā)器，可實(shí)現(xiàn)極高的數(shù)據(jù)傳輸速率，而串行-并行轉(zhuǎn)換和編碼/解碼的延遲成本并不高。

但是，PCIe是為在厘米級(jí)距離的電路板上使用而開發(fā)的，而不是在毫米級(jí)的基板上使用。它放棄了速度和效率來換取距離。因此，一個(gè)新的行業(yè)聯(lián)盟，包括AMD、ARM、Intel、Nvidia、Qualcomm、Samsung和TSMC等重要玩家，正在將PCIe的概念適應(yīng)到先進(jìn)封裝的電氣環(huán)境，并盡可能地依賴現(xiàn)有的協(xié)議。成果就是UCIe（Universal Chiplet Interconnect express），目標(biāo)是成為SiP中chiplet之間連接的標(biāo)準(zhǔn)，盡管目前它并不涵蓋某些關(guān)鍵需求，如與某些類型內(nèi)存芯片的連接。該規(guī)范的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)高數(shù)據(jù)傳輸速率和低單位比特傳輸能耗。但一些設(shè)計(jì)人員注意到，該規(guī)范對(duì)引腳的使用相當(dāng)奢侈。

其它替代方案???

同時(shí)，還有其他一些工作正在進(jìn)行中。例如，Open Compute Project包括另一個(gè)物理層構(gòu)想，即chiplet間高速接口的BoW（Bunch of Wires）規(guī)范。初創(chuàng)公司Eliyan開發(fā)了Nulink，這是BoW的進(jìn)化版本。Nulink的目標(biāo)是減少所需的die面積、chiplet間互聯(lián)數(shù)量以及能耗。Nulink本質(zhì)上是協(xié)議無關(guān)的，能夠在同一物理層上實(shí)現(xiàn)UCIe協(xié)議、內(nèi)存協(xié)議和專有協(xié)議。此外，雖然Nulink可以利用先進(jìn)封裝的優(yōu)勢(shì)，但它是為在電氣特性不太理想的有機(jī)基板上使用而開發(fā)的。

架構(gòu)師可能會(huì)對(duì)這些方案提出反對(duì)意見，因?yàn)檠舆t。SoC中各功能塊之間的并行連接，從一個(gè)功能模塊發(fā)送信號(hào)到另一個(gè)功能模塊接收信號(hào)之間的延遲非常小。EDA工具集中的定時(shí)分析工具可以輕松處理這種延遲。

但是，將并行信號(hào)轉(zhuǎn)換為串行脈沖流、編碼該流、將其從一個(gè)chiplet傳輸出去、在另一個(gè)chiplet接收它、解碼它、并將脈沖流轉(zhuǎn)換回并行數(shù)據(jù)所需的時(shí)間，可能比僅僅將一個(gè)信號(hào)從一個(gè)chiplet傳輸?shù)搅硪粋€(gè)chiplet的時(shí)間要長(zhǎng)得多，而且可能變化不定。如果一個(gè)系統(tǒng)的分區(qū)方式使其性能對(duì)這些互連延遲非常敏感，那么它的性能就會(huì)很差。

另一方面，許多SoC今天使用NoC（network-on-chip）來連接功能模塊，而不是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)并行總線。盡管NoC本身也有延遲，但這比chiplet間互聯(lián)的延遲要小得多，原因也不同。但SoC架構(gòu)師已經(jīng)找到了許多方法，使他們的設(shè)計(jì)能夠承受這些網(wǎng)絡(luò)延遲。事實(shí)上，即使是在處理器子系統(tǒng)中，模塊之間的延遲往往也比模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸速率重要得多。因此，有理由相信，即使chiplet間的一些路徑需要非常高的數(shù)據(jù)傳輸速率，互連延遲也不一定會(huì)成為SiP性能的限制因素。

朝向功能市場(chǎng)的發(fā)展?????

對(duì)于希望解決特定互連問題的SiP設(shè)計(jì)人員來說，豐富的互連替代方案將是一大助力。但它可能會(huì)阻礙芯片市場(chǎng)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。

DARPA最初設(shè)想的，也是許多chiplet倡導(dǎo)者仍在設(shè)想的chiplet市場(chǎng)，與當(dāng)時(shí)的中型集成電路市場(chǎng)非常相似：系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以從中挑選各種功能的chiplet，根據(jù)需要進(jìn)行排列，而不必?fù)?dān)心接口兼容性問題。當(dāng)然，這種設(shè)想依賴于存在一個(gè)或幾個(gè)特定應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)chiplet互連方案。如果每個(gè)chiplet供應(yīng)商都選擇支持他們想要的任何物理層和協(xié)議，或者如果每個(gè)chiplet都必須支持一系列競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)，市場(chǎng)就會(huì)受到阻礙。同樣，如果一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)組織試圖滿足各方的需求，那么該標(biāo)準(zhǔn)將變得過于復(fù)雜。

在這個(gè)狹窄的通道中航行是一種極大的挑戰(zhàn)，但并非不可能?？梢哉f，PCIe經(jīng)過幾代做到了這一點(diǎn)，不過，如果沒有Intel當(dāng)時(shí)在PC和服務(wù)器中的主導(dǎo)地位，PCIe能否做到這一點(diǎn)還是一個(gè)無法回答的問題。一個(gè)或許不太恰當(dāng)?shù)念惐瓤赡苁荖oC市場(chǎng)，一個(gè)偉大的想法導(dǎo)致了大量不兼容的架構(gòu)的出現(xiàn)，以至于沒有一個(gè)網(wǎng)絡(luò)成為標(biāo)準(zhǔn)。

如果成功，chiplet設(shè)計(jì)師將擁有一個(gè)廣闊、健康的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品die市場(chǎng)。如果互連領(lǐng)域混亂，那么可能只能為每個(gè)特定的SiP設(shè)計(jì)開發(fā)定制的chiplet，這使得chiplet供應(yīng)商和SiP開發(fā)者更難以證明他們的設(shè)計(jì)成本的合理性，并從經(jīng)驗(yàn)曲線中受益。只有時(shí)間能告訴我們答案。

審核編輯：劉清