Chiplet，半導體的下一個前沿？

本文由半導體產(chǎn)業(yè)縱橫（ID：ICVIEWS）編譯自semiconductor-digest

芯片技術(shù)正以其創(chuàng)新的模塊化設(shè)計方法改變電子行業(yè)。

半導體芯片是技術(shù)驅(qū)動世界的支柱，為從智能手機到支持云計算的服務(wù)器等一切設(shè)備提供動力。現(xiàn)代設(shè)備的一個明顯趨勢是可用于專門任務(wù)的空間越來越小，要求這些設(shè)備在有限的物理限制內(nèi)有效處理多個工作負載。半導體行業(yè)正在經(jīng)歷重大轉(zhuǎn)型。隨著我們不斷突破計算能力、能源效率和成本效益的界限，傳統(tǒng)的單片芯片設(shè)計面臨著越來越多的挑戰(zhàn)。進入基于芯片的架構(gòu)——一種有望徹底改變半導體服務(wù)和半導體解決方案的創(chuàng)新解決方案。

小芯片技術(shù)以模塊化芯片為核心，這些芯片可以組合在一起形成集成片上系統(tǒng) (SoC)。這些芯片專為基于芯片組的架構(gòu)而設(shè)計，多個芯片組協(xié)同工作以創(chuàng)建統(tǒng)一電路。在探索芯片組技術(shù)時，我們將研究其重要性、與 SoC 的聯(lián)系以及最新趨勢。

Chiplet 技術(shù)的基本優(yōu)勢

來源：Cadence

什么是基于 Chiplet 的架構(gòu)？芯片架構(gòu)是一種模塊化芯片設(shè)計方法，其中多個較小的硅“芯片”互連以形成一個完整的系統(tǒng)。與所有組件都集成到單個芯片上的傳統(tǒng)單片芯片不同，芯片允許獨立開發(fā)和集成專門的功能。這些芯片使用高帶寬互連連接，從而實現(xiàn)高效通信和性能優(yōu)化。

隨著半導體行業(yè)努力突破摩爾定律的物理和經(jīng)濟限制，這種方法越來越受到青睞。通過啟用更小、可重復使用的組件，芯片組架構(gòu)為新半導體解決方案提供了靈活性、可擴展性和更快的上市時間。

Chiplet 架構(gòu)背后的驅(qū)動力

推動基于小芯片架構(gòu)的采用的幾個關(guān)鍵因素：

1. 傳統(tǒng)設(shè)計的復雜性。隨著對更強大處理器的需求不斷增長，單片設(shè)計變得越來越復雜且昂貴。大型芯片的制造缺陷可能導致重大損失。小芯片架構(gòu)通過更換有缺陷的組件而無需丟棄整個系統(tǒng)來降低這些風險。

2. 成本效益。先進節(jié)點制造的成本飛漲。使用成熟工藝節(jié)點構(gòu)建的芯片可降低成本，同時利用尖端半導體解決方案實現(xiàn)高性能組件。這種混合方法更經(jīng)濟、更可持續(xù)。

3. 性能優(yōu)化。小芯片可實現(xiàn)異構(gòu)集成，其中不同類型的硅片（例如 CPU、GPU 和加速器）可以組合在一起以獲得最佳性能。這種模塊化可為從數(shù)據(jù)中心到邊緣計算的特定應(yīng)用提供量身定制的半導體服務(wù)。

Chiplet 架構(gòu)的優(yōu)勢

采用chiplet架構(gòu)可帶來諸多優(yōu)勢：

1. 靈活性和可擴展性。芯片組使升級或修改設(shè)計變得更加容易。制造商無需重新設(shè)計系統(tǒng)即可更換或升級單個芯片組。這種模塊化促進了創(chuàng)新和適應(yīng)性。

2. 提高成品率。通過將功能拆分到更小的芯片中，制造商可以降低生產(chǎn)中出現(xiàn)缺陷的可能性。這樣可以提高成品率、降低成本并提高可靠性。

3. 定制化滿足特定需求。Chiplet 可針對人工智能、汽車和電信行業(yè)量身定制半導體解決方案。這種定制可提高性能并滿足細分市場的精確需求。

4. 加速上市時間。可重用性和小芯片的并行開發(fā)縮短了設(shè)計周期，使企業(yè)能夠更快地將創(chuàng)新產(chǎn)品推向市場。

先進半導體服務(wù)的作用

半導體服務(wù)在成功實現(xiàn) Chiplet 架構(gòu)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。這些服務(wù)涵蓋設(shè)計、測試和封裝解決方案，確保無縫集成和性能優(yōu)化。

設(shè)計服務(wù)。先進的設(shè)計工具和方法對于在更廣泛的系統(tǒng)中創(chuàng)建協(xié)調(diào)的芯片至關(guān)重要。設(shè)計服務(wù)還可以解決電源管理和散熱等挑戰(zhàn)。

測試和驗證單獨測試芯片組和作為系統(tǒng)的一部分測試芯片組對于確?？煽啃院托阅苤陵P(guān)重要。半導體服務(wù)利用尖端測試協(xié)議在生產(chǎn)周期的早期識別和糾正問題。

封裝解決方案封裝是芯片架構(gòu)的關(guān)鍵推動因素。2.5D 和 3D 堆疊等先進封裝技術(shù)對于實現(xiàn)芯片之間的高帶寬、低延遲互連至關(guān)重要。提供半導體解決方案的公司已經(jīng)開發(fā)出先進的封裝方法來滿足這些需求。

市場采用和行業(yè)領(lǐng)導者

AMD、英特爾和臺積電等領(lǐng)先的半導體公司正在引領(lǐng)芯片架構(gòu)的采用。AMD 的 EPYC 處理器和英特爾的 Foveros 技術(shù)展示了這種方法的潛力。

統(tǒng)計數(shù)據(jù)凸顯增長

根據(jù) Yole Développement 2023 年的報告，包括小芯片在內(nèi)的先進封裝市場預(yù)計將在 2023 年至 2028 年期間以 8% 的復合年增長率增長。

Gartner 預(yù)測，到 2025 年，30% 的所有先進節(jié)點處理器將使用基于小芯片的架構(gòu)。

這些數(shù)字凸顯了投資以小芯片為中心的半導體服務(wù)和解決方案的公司所面臨的巨大商機。

挑戰(zhàn)與未來方向

雖然小芯片架構(gòu)具有眾多優(yōu)勢，但也帶來了挑戰(zhàn)：

互連標準缺乏標準化互連協(xié)議會阻礙不同制造商的芯片之間的互操作性。通用芯片互連標準 (UCIe) 等計劃可解決此問題。

設(shè)計復雜性小芯片的模塊化特性要求復雜的設(shè)計和集成策略。半導體服務(wù)提供商和芯片設(shè)計師之間的合作對于克服這些障礙至關(guān)重要。

熱管理確保密集封裝的芯片系統(tǒng)有效散熱是關(guān)鍵問題。材料和封裝方面的創(chuàng)新有助于解決這一挑戰(zhàn)。

企業(yè)為何應(yīng)該關(guān)注

對于企業(yè)而言，小芯片架構(gòu)不僅代表著一項技術(shù)創(chuàng)新，更是一條通往新機遇和競爭優(yōu)勢的途徑。通過采用基于小芯片的半導體解決方案，企業(yè)可以：

• 降低成本同時保持性能。

• 通過模塊化設(shè)計加速創(chuàng)新。

• 為人工智能、物聯(lián)網(wǎng)和自動駕駛汽車等新興市場定制產(chǎn)品。

此外，與半導體服務(wù)提供商合作可確保企業(yè)能夠利用設(shè)計、測試和封裝方面的專業(yè)知識，有效地將尖端產(chǎn)品推向市場。

結(jié)論

芯片技術(shù)正以其創(chuàng)新的模塊化設(shè)計方法改變電子行業(yè)。這一概念的核心是使用緊湊的獨立單元，稱為“芯片”，每個單元都針對不同的功能進行了優(yōu)化。通過將這些芯片組裝成一個有凝聚力的系統(tǒng)，制造商可以構(gòu)建靈活的定制解決方案來滿足特定需求。這一進步將通過簡化生產(chǎn)工作流程和促進高度專業(yè)化、高效設(shè)備的開發(fā)來重塑電子元件設(shè)計和制造。

基于小芯片的架構(gòu)正在重塑半導體格局。它通過解決傳統(tǒng)單片設(shè)計的局限性，提供了一種可擴展、經(jīng)濟高效且高性能的替代方案。隨著半導體服務(wù)和解決方案不斷發(fā)展以支持這種范式轉(zhuǎn)變，企業(yè)將通過采用這種變革性技術(shù)獲得巨大收益。

半導體的下一個前沿已經(jīng)到來，它模塊化、功能強大且潛力無限?，F(xiàn)在正是企業(yè)探索小芯片架構(gòu)可能性并為創(chuàng)新和適應(yīng)性定義的未來做好準備的時候。