從片上系統(tǒng)(SoC)到立方體集成電路(CIC)

芯片的設(shè)計(jì)概念從SoC到SoIC再到CIC，本文介紹了這三者的區(qū)別。

SoC（System on Chip）片上系統(tǒng)，SoIC（System on Integrated Chip）集成片上系統(tǒng)，CIC（Cubic Integrated Circuit）立方體集成電路，三者有什么異同，今天，我們將其放在一起進(jìn)行比較解讀。

SoC

SoC是System on Chip的縮寫，中文稱“片上系統(tǒng)”，是由多個(gè)具有特定功能的集成電路組合在一個(gè)硅片上形成的系統(tǒng)或產(chǎn)品，其中包含完整的硬件系統(tǒng)及其承載的嵌入式軟件。 在SoC上，集成了處理器（包括CPU、DSP）、存儲(chǔ)器、各種接口控制模塊、各種互聯(lián)總線等。下圖所示為麒麟980 SoC的版圖。

SoC實(shí)現(xiàn)了在單個(gè)芯片上，就能完成一個(gè)電子系統(tǒng)的功能，而這個(gè)系統(tǒng)在SoC出現(xiàn)以前往往需要一個(gè)或多個(gè)電路板，以及板上的各種電子器件、芯片和互連線共同配合來實(shí)現(xiàn)。 SoC在單芯片實(shí)現(xiàn)了功能的高度集成，其功能密度比傳統(tǒng)的板級(jí)系統(tǒng)有了巨大的提升。

SoIC

SoIC（System on Integrated Chips）集成片上系統(tǒng)，是臺(tái)積電最新的先進(jìn)封裝技術(shù)。該技術(shù)最鮮明的特點(diǎn)是沒有凸點(diǎn)（no-Bump）的鍵合結(jié)構(gòu)，因此具有有更高的集成密度和更佳的性能。 SoIC是將多個(gè)芯片采用混合鍵合的方式組裝到一起，體積和性能上達(dá)到了單顆SoC同等的指標(biāo)。 對(duì)比下圖的SoC和SoIC，我們可以看出，SoIC相對(duì)SoC至少有兩個(gè)優(yōu)勢(shì)，1）異構(gòu)集成，2）更高的功能密度。

SoIC-1，SoIC-2，SoIC-3可以采用不同的工藝節(jié)點(diǎn)生產(chǎn)，然后通過混合鍵合組裝，支持異構(gòu)集成，因此具有更高的靈活性。此外，SoIC具備更多的晶體管層，圖中，我用高亮標(biāo)識(shí)出了晶體管層，可以看出，SoC具有一個(gè)晶體管層，而SoIC具有兩個(gè)晶體管層，在同樣的工藝條件下，SoIC相比同體積SoC的具有兩倍的晶體管數(shù)量，因此其功能密度也為SoC的兩倍。隨著堆疊層數(shù)的增多，這種優(yōu)勢(shì)會(huì)更加明顯。

CIC

CIC（Cubic integrated Circuit）立方體集成電路，是我在2021年8月7日的一篇文章《集成電路設(shè)計(jì)的“新思路”》中提出的概念，旨在以立方體的思路去設(shè)計(jì)芯片。 在這里，我想強(qiáng)調(diào)一下，CIC從芯片開始規(guī)劃和設(shè)計(jì)階段，就以立方體的思路來進(jìn)行，如下圖所示，一個(gè)SoC在一開始就被規(guī)劃成4層或者更多層來設(shè)計(jì)，需要EDA廠商在軟件研發(fā)上給予足夠的功能支持才可以實(shí)現(xiàn)。

在實(shí)際應(yīng)用中，CIC可能是10層、20層、50層、100層、500層或者更多。從信號(hào)最快到達(dá)和能量最節(jié)省的角度，正立方體是最佳的芯片形態(tài)，這就是CIC名稱的由來。 以現(xiàn)有的7nm工藝，在指甲蓋大小的芯片上可以集成100億以上的晶體管。如果以CIC的模式來設(shè)計(jì)，在指尖大小的1立方厘米內(nèi)可集成的晶體管數(shù)量為2.5萬億~5萬億，即100億的250倍~500倍。 如果CIC可以實(shí)現(xiàn)的話，如今全球最大的芯片，如餐盤大小的WSE二代晶體管的數(shù)量是2.6萬億，如果按照CIC的設(shè)計(jì)思路，完全可以在指尖大小的1立方厘米實(shí)現(xiàn)了。

這絕對(duì)是一個(gè)質(zhì)的飛躍，然而，CIC的設(shè)計(jì)與制造，必將是一個(gè)非常難以實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。 如果要在競(jìng)爭(zhēng)中勝出，就必須克服各種困難，朝著既定目標(biāo)努力奮斗！這就是目標(biāo)的力量。有的人因?yàn)榭匆姸嘈?，有的人因?yàn)橄嘈哦匆姟?

回顧和展望

SoC技術(shù)始于20世紀(jì)90年代中期，是集成電路(IC)向集成系統(tǒng)(IS)轉(zhuǎn)變的大方向下產(chǎn)生的，是集成電路技術(shù)發(fā)展到一定程度的必然產(chǎn)物。摩托羅拉于1994發(fā)布的FlexCore據(jù)稱是最早通過SoC技術(shù)實(shí)現(xiàn)的產(chǎn)品。 SoIC技術(shù)由臺(tái)積電在2018年正式提出，該技術(shù)將多個(gè)獨(dú)立的小芯片通過3D制造技術(shù)集成到整合的SoC系統(tǒng)中，具有更高的功能密度、更低的通信延遲以及更低的單位能量消耗。目前，SoIC技術(shù)已經(jīng)可以堆疊到12層。 CIC概念于2021年8月提出，目前還只是一種芯片技術(shù)發(fā)展的預(yù)期，未來或?qū)⒂芯薮蠖焖俚陌l(fā)展。 在現(xiàn)有的芯片技術(shù)中，晶體管是記錄信息的基本單位，也是功能的基本單位，在系統(tǒng)空間內(nèi)，晶體管的密度也代表著功能密度。無論是SoC，SoIC還是CIC，其實(shí)現(xiàn)的主要目的就是提高系統(tǒng)空間內(nèi)的功能密度，并降低單位信息傳遞的能量消耗。