Ramune Nagisetty正在幫助英特爾在以小芯片為中心的新行業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中建立自己的位置。

　　小芯片（chiplet）是一種制造系統(tǒng)的方法，這個系統(tǒng)實際上由幾個較小的小芯片成，但是從其封裝外部看起來就好像所有功能單元都在一顆芯片上一樣。在傳統(tǒng)的摩爾定律前行的空間日益逼仄之際，小芯片被業(yè)界廣泛視為可以保持計算行業(yè)系統(tǒng)性能繼續(xù)提升的一種重要舉措。支持者表示，小芯片的優(yōu)勢包括更加容易實現(xiàn)專業(yè)化的系統(tǒng)、更高的良率等等。但是更重要的是，它們可能會導(dǎo)致無晶圓半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)生重大轉(zhuǎn)變，使得這個行業(yè)的目標(biāo)終端產(chǎn)品可能成為一種在同一個封裝內(nèi)和通用處理器及許多其它專業(yè)小芯片組合在一起的小型專用chiplet。Ramune Nagisetty是英特爾俄勒岡州技術(shù)開發(fā)部門的首席工程師和工藝與產(chǎn)品集成經(jīng)理，她一直致力于幫助開發(fā)一個行業(yè)范圍的小芯片生態(tài)系統(tǒng)。近日，她向記者透露了英特爾的小芯片技術(shù)。

　　小芯片是什么？

　　記者：你怎么定義小芯片，你能不能說明一下為什么小芯片變得重要了？

　　Nagisetty：小芯片是一塊物理硅片。它上面封裝了一個完整的IP子系統(tǒng)。通過封裝級集成，它可以和其它小芯片集成在一起，通常的集成方式是“高級封裝集成”和使用標(biāo)準(zhǔn)化的接口。

　　至于它們?yōu)槭裁粗匾?，是因為這個世界上不存在一種放之四海而皆準(zhǔn)的通用方案?，F(xiàn)在，各種計算和工作負荷都出現(xiàn)了爆炸式的增長，所以出現(xiàn)了各種不同的架構(gòu)來支持這些不同類型的計算模型。基本上，領(lǐng)先技術(shù)的異構(gòu)集成是保證摩爾定律繼續(xù)發(fā)揮作用的一種方式。

　　記者：你說的異構(gòu)技術(shù)是不是也包括硅之外的一些半導(dǎo)體材料？

　　Nagisetty：當(dāng)然，半導(dǎo)體材料不是只有硅一種，還有許多其它類型的半導(dǎo)體材料，比如鍺或III-Vs這樣的東西。將來我們肯定會擁有更多可用的半導(dǎo)體材料，但是今天主要還是硅。

　　即便小芯片只使用硅，它們肯定也會在不同的工藝節(jié)點上實現(xiàn)。它們通常面向不同應(yīng)用領(lǐng)域進行性能調(diào)整，包括數(shù)字電路、模擬器件、RF或者內(nèi)存技術(shù)。

　　在這里，真正能夠發(fā)揮小芯片優(yōu)勢的一個地方是內(nèi)存整合。高寬帶的存儲器（HBM）是封裝內(nèi)集成異構(gòu)硅器件的早期成功案例。內(nèi)存在本質(zhì)上是一種異構(gòu)集成，通過使用先進的封裝技術(shù)，它們獲得了飛速的發(fā)展。

　　英特爾的EMIB方案

　　記者：你們英特爾連接小芯片的方法叫做嵌入式多芯片互聯(lián)橋，這是個什么東西，它是如何工作的呢？

　　Nagisetty：你可以把EMIB看成是將兩個小芯片連接到一起的高密度橋，這是能夠描述它的最佳方式了。我想，很多人都比較熟悉使用硅互插器作為先進封裝基板的想法。硅互插器是一種硅襯底，上面有一些密集的互連結(jié)構(gòu)和內(nèi)置的硅通孔。它們實現(xiàn)了芯片之間的高帶寬連接。

　　EMIB在本質(zhì)上是一種非常薄的硅中介層，上面有密度非常高的互聯(lián)結(jié)構(gòu)，我們把它們成為微凸塊，EMIB的密度遠高于你在其它標(biāo)準(zhǔn)封裝基板上發(fā)現(xiàn)的那種密度。微凸塊是一些微小的焊球，可以把一個芯片連接到另一個芯片上，后者連接到封裝內(nèi)的高密度互聯(lián)結(jié)構(gòu)上。

　　基本上，EMIB會嵌入到標(biāo)準(zhǔn)封裝基板中。通過EMIB，你基本上可以在需要的任何地方實現(xiàn)最高密度的互聯(lián)，然后可以使用標(biāo)準(zhǔn)封裝基板實現(xiàn)其它地方的互聯(lián)。

　　這樣做有很多好處，比如它的成本優(yōu)勢。硅互插器的成本和它的面積成正比，我們只在需要的地方實現(xiàn)高密度互聯(lián)。同樣，這種方案在整體插入損耗方面也有可圈可點之處，由于材料特性會導(dǎo)致信號衰減，在大部分地方使用標(biāo)準(zhǔn)襯底、僅在需要位置使用EMIB這種硅互插器可以降低整體損耗。

　　記者：英特爾現(xiàn)在把EMIB用在哪些芯片上了？

　　Nagisetty：英特爾實際上有幾種不同的小芯片解決方案，我想每一個都談一談，因為它有助于揭示我所認(rèn)為的小芯片未來的三個發(fā)展方向。

　　英特爾現(xiàn)在有兩種非常不同的基于EMIB的解決方案。第一個是Kaby Lake-G，我們在這個小芯片上將AMD的Radeon GPU、高帶寬內(nèi)存和我們的CPU芯片集成在了一起。

　　我們使用EMIB把GPU和HBM集成在一起，使用了封裝內(nèi)部的HBM接口。然后我們在標(biāo)準(zhǔn)電路板級接口上使用了PCI Express，用它來繼承GPU和CPU。

　　這種集成方案的真正有趣之處在于，我們使用的外部開發(fā)芯片來自多個代工廠，使用了通用的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口-HBM和PCI Express-來把它們集成在一起，打造一流的產(chǎn)品。在這種方案下，我們集成的帶有HBM的GPU之前是一個能夠獨立放在電路板上的組件，現(xiàn)在我們把它集成到了一個封裝中。PCI Express旨在傳輸長距離信號，在電路設(shè)計中比較普遍。當(dāng)你把它放到一個封裝內(nèi)時，雖然實際上它不一定是最優(yōu)的解決方案，但是這是部署最快的一種方案，因為我們利用了現(xiàn)在電子工業(yè)中已經(jīng)存在的接口，而不用重新開發(fā)一種用在封裝內(nèi)、可實現(xiàn)最優(yōu)連接的接口。

　　記者：這種集成能夠提供哪些優(yōu)勢？

　　Nagisetty：我覺得，最大的優(yōu)勢在于外形尺寸的縮減。對于移動游戲來說，能把小芯片放在筆記本電腦中非常重要。從本質(zhì)上來說，你總是需要在外形尺寸、功耗和性能之間來回權(quán)衡。這種集成實現(xiàn)了真正的優(yōu)化，能夠以盡可能小的尺寸實現(xiàn)同類最佳的性能和功耗。

　　記者：還有沒有其它小芯片的例子？

　　Nagisetty：我要舉的下一個例子是Stratix 10 FPGA。它實際上是英特爾首次展示的EMIB解決

　　方案。Stratix 10的中心是一個英特爾的FPGA，圍繞著它有六個小芯片。其中，有四個是高速收發(fā)器，兩個是高帶寬內(nèi)存，它們都封裝在一個封裝之中。這個例子中集成了來自三家代工廠、使用了六種不同的代工節(jié)點生產(chǎn)出來的小芯片。因此，Stratix 10進一步證明了不同代工廠生產(chǎn)的器件的互操作性。

　　此外，這顆芯片中使用了一種被稱為AIB的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)硅片到硅片接口，這是英特爾的高級接口總線。這是英特爾專為這種芯片設(shè)計的總線接口標(biāo)準(zhǔn)，它是實現(xiàn)封裝內(nèi)部高帶寬、邏輯到邏輯器件互聯(lián)的重要支撐?？梢哉f，HBM是用于內(nèi)存集成的第一個標(biāo)準(zhǔn)，而AIB是用于邏輯器件集成的第一個標(biāo)準(zhǔn)。

　　AIB這個接口可以和英特爾的EMIB解決方案和硅互插器等競爭性的解決方案一起使用，但是這個接口和作為這個生態(tài)系統(tǒng)核心的FPGA的真正偉大的地方在于，它們證明了混合搭配的FPGA方案是可行的方案。有很多不同的公司和大學(xué)正在DARPA的CHIPS（通用異構(gòu)集成和IP重用策略）計劃的資助下使用AIB創(chuàng)建小芯片。

　　記者：還有第三個例子嗎？

　　Nagisetty：我要談的第三個例子是英特爾的Foveros解決方案，這是我們的邏輯組件上堆疊邏輯組件的芯片方案，我們在去年12月份首次提到該方案，并在今年一月份的CES展會上發(fā)布了一款產(chǎn)品-Lakefield。這也是一種小芯片集成，不過它不是水平堆疊，而是垂直堆疊。

　　這種集成類型使得您可以在兩個小芯片之間獲得極高的通信帶寬，但是和前面那些使用通用標(biāo)準(zhǔn)總線的方案不同，F(xiàn)overos基于內(nèi)部專有接口，而且這兩個小芯片的耦合性很強，它們基本上都是共同設(shè)計的，必須在一起進行分層規(guī)劃，以管理供電輸送和散熱這些事情。

　　對于這種邏輯組件上堆疊邏輯組件方案，可能需要更長的時間才能把它演化成一種工業(yè)領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)。因為它這上面的芯片基本上都是共同設(shè)計的。在邏輯組件上堆疊內(nèi)存可能會是最先衍生出三維堆疊開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)的地方。

　　集成的工程性問題

　　記者：在設(shè)計堆疊芯片時，需要注意那些事項？

　　Nagisetty：散熱是最大的問題。其實，你也可以想象，硅片堆疊會讓任何類型的散熱問題都變得更為棘手。因此，我們確實需要繼續(xù)規(guī)劃分層，以適應(yīng)、調(diào)整各個熱點。此外，我們還需要考慮整個系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計問題。三維堆疊不僅僅涉及到物理架構(gòu)，它能一直影響到架構(gòu)決策，而且是整個CPU/GPU和系統(tǒng)的架構(gòu)。

　　而且，如果我們想要它實現(xiàn)任何一種類型的互操作性，就需要有支持可互操作的材料。此外，為了支持互操作性，需要做很多事情。不過，最大的挑戰(zhàn)還是在散熱上，供電輸送和電源管理的挑戰(zhàn)也不容小覷。

　　新的測試技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)

　　記者：為了推進小芯片，現(xiàn)在還需要哪些標(biāo)準(zhǔn)？

　　Nagisetty：圍繞測試的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)非常重要。通常而言，我們對一個完整的封裝里的部件進行測試。我們需要把一個“已知良好的硅片”（我們知道它能正常工作的小芯片）放到封裝內(nèi)，這樣就不會最終生產(chǎn)出一個其它小芯片工作正常、但是由于單個小芯片失效導(dǎo)致無法正常工作的大芯片。所以我們需要一個確認(rèn)硅片工作正常的策略，需要一種測試策略。

　　此外，我們需要多家小芯片供應(yīng)商對電源和熱管理的支持。這就意味著，為了管理大芯片的電源和散熱，我們需要把所有這些需要集成的小芯片的電源和熱管理做好。

　　還有電氣操作性，我們?nèi)ツ臧l(fā)布的AIB接口實際上只是一種物理層級別的標(biāo)準(zhǔn)，只定義了電氣和物理接口，我們還需要上層協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。

　　最后一個也很明顯，就是機械標(biāo)準(zhǔn)，微凸塊的放置和它們之間的路由也需要標(biāo)準(zhǔn)來支持互操作性。

　　記者：你能不能多告訴我們一些關(guān)于“已知良好芯片”的問題，小芯片測試和之前有何不同之處？

　　Nagisetty：嗯，小芯片測試真的很不一樣。因為完全保證被測試的小芯片是“已知良好芯片”通常基于對封裝器件的熱測試。所以，你需要在把小芯片放入封裝之前測試這些裸片。測試封裝好的器件、給封裝好的器件都比裸片更容易，其它也是。所以，當(dāng)你對裸片測試時，怎么加探針，怎么探測都會帶來挑戰(zhàn)，你需要設(shè)置額外的精細pad來放探針。

　　還有一件事，就是為了對裸片進行獨立測試，你必須把時鐘和其它任何為了支持完全測試必須具備的東西都設(shè)計到小芯片中。小芯片之間不能相互依賴才能完成測試，它們必須在放在封裝內(nèi)部之前獨立地、完整地測試。

　　這個領(lǐng)域現(xiàn)在還有一些挑戰(zhàn)沒有解決。而且它非常重要，你可以想象一下，現(xiàn)在你有一個封裝了很多小芯片的組件，這個封裝好的器件比較貴。如果有任何一個小芯片壞掉了，而且沒有冗余或者無法修復(fù)，那么你只好丟掉這個器件，而這里面還有很多可以正常工作、有一定價值的小芯片。

　　記者：小芯片的一個優(yōu)勢是不是可以帶來更好的良率？因為它們體積更小，更容易提高良率？

　　Nagisetty：小芯片確實容易提高良率，這是這種方案得到應(yīng)用的原因之一，但是這并不是唯一的原因。要想提高良率，還要取決于能否在最終封裝之前獨立、完整地測試它們。

　　小芯片將帶來哪些改變？

　　記者：小芯片將如何改變?nèi)藗冊O(shè)計半導(dǎo)體器件的方式？

　　Nagisetty：我們可以在高帶寬內(nèi)存集成上看到一些變化，它廣泛應(yīng)用于GPU和高性能系統(tǒng)中的AI處理器中。所以，在這種情況下，小芯片和內(nèi)存的封裝集成確實已經(jīng)改變了芯片的設(shè)計和集成方式。

　　小芯片的協(xié)同設(shè)計肯定會成為一個重要的發(fā)展領(lǐng)域。我認(rèn)為將要發(fā)生的一件事情就是，我們的芯片將會有獨家供應(yīng)商提供小芯片。這樣的話，它們在架構(gòu)上怎么劃分呢？我們怎么基于這些已有的構(gòu)建模塊設(shè)計出最佳的產(chǎn)品出來呢？我認(rèn)為，這真的是一場革命，一個全新的行業(yè)生態(tài)系統(tǒng)將圍繞它展開并發(fā)展起來。

　　能夠理解來自不同小芯片供應(yīng)商的需求，并將它們的需求在架構(gòu)及其邊界上體現(xiàn)出來將會變得非常重要。仿真工具和方法學(xué)很重要。是的，小芯片將改變我們設(shè)計芯片或設(shè)計封裝的方式，隨著時間的演變，它也肯定會改變半導(dǎo)體世界的生態(tài)系統(tǒng)。

　　記者：關(guān)于這個生態(tài)系統(tǒng)，你能多提供一些信息嗎？十年后的初創(chuàng)無晶圓廠設(shè)計公司將會是什么模樣？這場小芯片革命將怎么樣改變這些初創(chuàng)企業(yè)要發(fā)力的方向:

　　Nagisetty:我認(rèn)為，對于初創(chuàng)無晶圓廠設(shè)計公司來說，現(xiàn)在真的是一個非常激動人心的時刻，因為，使用小芯片方案，初創(chuàng)公司完全可能創(chuàng)建一個更小型的IP子系統(tǒng)，當(dāng)被集成到大芯片中時，這個子系統(tǒng)非常有價值。

　　DARPA CHIPS計劃的目標(biāo)之一是支持IP重用，并降低生產(chǎn)產(chǎn)品時的整體非經(jīng)常性工程成本。小芯片方案使得初創(chuàng)無晶圓廠設(shè)計公司能夠?qū)Ｗ⒂谒麄兎浅Ｉ瞄L的IP部分，而不用擔(dān)心其它的部分，其它的是其它公司和集成公司操心的事。

　　我確實認(rèn)為，小芯片方案能夠幫助初創(chuàng)無晶圓廠設(shè)計公司快速啟動，這也是DARPA計劃的另一個更重要的支持目標(biāo)，即電子復(fù)興計劃。因為，隨著半導(dǎo)體工藝的發(fā)展，能夠支持先進高端工藝的公司越來越少了，小公司的創(chuàng)新能力也受到了負面影響。小芯片方案為更多的創(chuàng)新開辟了新的道路，特別是對那些初創(chuàng)無晶圓廠設(shè)計公司更是如此。我認(rèn)為，小芯片將成為未來創(chuàng)新的平臺，這對整個半導(dǎo)體行業(yè)來說非常重要，這就是為什么我認(rèn)為現(xiàn)在是一個非常激動人心的時刻，因為我們將會看到很多變化的發(fā)生，并且有很多機會見證并推動它的發(fā)展。

　　記者：當(dāng)創(chuàng)業(yè)公司和小公司能夠有效參與進來之前，小芯片的發(fā)展有多快？

　　Nagisetty：最近發(fā)生了一些事情。 有一個名為ODSA（開放性的領(lǐng)域?qū)Ｓ眉軜?gòu)）的新行業(yè)論壇，它正在成為一個被稱為“開放計算機化”的行業(yè)協(xié)作的一部分。很多公司都在參加ODSA會議，并且表現(xiàn)出對使用封裝級集成和小芯片方案的興趣。最近還發(fā)布了一個計算快速鏈接（CXL），它可以作為加速器的接口。

　　看起來，支持這種新型生態(tài)系統(tǒng)的很多事情正在迅速發(fā)生。我真的很難預(yù)測它的發(fā)展速度，但是我覺得，也許短短幾年它的生態(tài)系統(tǒng)就能發(fā)展起來。而且我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一些早期發(fā)展的證據(jù)。

　　記者：當(dāng)小芯片最終集成到基底或者封裝中時，它是否需要某種程度的智能？

　　Nagisetty: 嗯，關(guān)于智能，我只能說我們將會看到它會如何演變。這實際上是一種架構(gòu)上的決策，我認(rèn)為這里有各種各樣的可能性。當(dāng)把智能放到基底上，在它上面堆疊另一個基底，可能會有層次結(jié)構(gòu)。

　　記者：在小芯片技術(shù)的開發(fā)上，英特爾下一步怎么走？

　　Nagisetty: 我可以告訴你的是，我們現(xiàn)在已經(jīng)在市場上展示出來的東西就是我們將來如何創(chuàng)造幾乎所有小芯片產(chǎn)品的例子。你有看到了，在這市場上我們有多個賽道，我們也是剛剛開始朝小芯片的方向發(fā)展。不過，有這幾種方案和產(chǎn)品在手，我們肯定將在未來幾代產(chǎn)品中處于極好的領(lǐng)先位置上。