極小尺寸下，芯片物理瓶頸越來(lái)越難以克服，但每到關(guān)鍵時(shí)刻，總有新技術(shù)將看似走向終點(diǎn)的摩爾定律推一把，而小芯片正在將芯片性能進(jìn)化引向更具經(jīng)濟(jì)效益的未來(lái)。

解決節(jié)點(diǎn)進(jìn)化成本控制不住的問(wèn)題

在近幾年先進(jìn)節(jié)點(diǎn)走向 10nm、7nm、5nm，問(wèn)題就不再只是物理障礙了，節(jié)點(diǎn)越進(jìn)化，微縮成本越高，能扛住經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)的設(shè)計(jì)公司越來(lái)越少。到了 5nm 節(jié)點(diǎn)，設(shè)計(jì)總成本已經(jīng)飆高到逾 5 億美元，相當(dāng)于逾 35 億人民幣。

而守住摩爾定律，關(guān)乎利潤(rùn)最大化，如果研發(fā)和生產(chǎn)成本降不下來(lái)，那么對(duì)于芯片巨頭和初創(chuàng)公司來(lái)說(shuō)都將是糟糕的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。

基于小芯片（Chiplet）的模塊化設(shè)計(jì)，正是其中解決成本問(wèn)題的一個(gè)極為關(guān)鍵的構(gòu)想。小芯片也正成為 AMD、英特爾、臺(tái)積電、Marvell、Cadence 等芯片巨頭為摩爾定律續(xù)命的共同選擇之一。

知名市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu) Omdia 預(yù)測(cè)，小芯片將在 2024 年全球市場(chǎng)規(guī)模擴(kuò)大到 58 億美元，較 2018 年的 6.45 億美元增長(zhǎng) 9 倍。而長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，2035 年小芯片市場(chǎng)規(guī)模有望增至 570 億美元。

像搭積木一樣的小芯片技術(shù)

傳統(tǒng)系統(tǒng)單芯片做法是每一個(gè)組件放在單一裸晶上，造成功能越多，硅芯片尺寸越大。小芯片的做法是將大尺寸的多核心設(shè)計(jì)分散到個(gè)別微小裸芯片，比方處理器、模擬組件、存儲(chǔ)器等，再用立體堆棧的方式，以封裝技術(shù)做成一顆芯片，類似樂(lè)高積木概念。

小芯片技術(shù)，就是模塊化，搭積木一樣的芯片技術(shù)。將大的芯片分成 N 顆小的芯片，而這些小芯片可以單獨(dú)運(yùn)行，也可以通過(guò)一定的技術(shù)連接起來(lái)成為一個(gè)整體，共同運(yùn)行。

如果在小芯片技術(shù)之下，這顆芯片或許可以分成 CPU 小芯片，GPU 小芯片、NPU 小芯片、Modem 小芯片、DSP 小芯片等等各種小顆芯片。

這種新型的小芯片設(shè)計(jì)方法，不僅能大大簡(jiǎn)化芯片設(shè)計(jì)復(fù)雜度，還能有效降低設(shè)計(jì)和生產(chǎn)成本。更重要的是，小芯片技術(shù)可以針對(duì)不同的模塊進(jìn)行工藝的調(diào)整。

獨(dú)特優(yōu)勢(shì)加速市場(chǎng)延伸

①開發(fā)速度更快：在服務(wù)器等計(jì)算系統(tǒng)中，電源和性能由 CPU 核心和緩存支配。通過(guò)將內(nèi)存與 I/O 接口組合到一個(gè)單片 I/O 芯片上，可減少內(nèi)存與 I/O 間的瓶頸延遲，進(jìn)而幫助提高性能。

②研發(fā)成本更低：因?yàn)樾⌒酒怯刹煌男酒K組合而成，設(shè)計(jì)者可在特定設(shè)計(jì)部分選用最先進(jìn)的技術(shù)，在其他部分選用更成熟、廉價(jià)的技術(shù)，從而節(jié)省整體成本。而采用更成熟制程的 I/O 模塊有助于整體良率的提升，進(jìn)一步降低晶圓代工成本。綜合來(lái)看，CPU 核心越多，小芯片組合的成本優(yōu)勢(shì)越明顯。

③能靈活滿足不同功能需求：隨著小芯片的優(yōu)勢(shì)逐漸顯露，它正被微處理器、SoC、GPU 和可編程邏輯設(shè)備（PLD）等更先進(jìn)和高度集成的半導(dǎo)體設(shè)備采用。

④市場(chǎng)延伸速度加倍：微處理器是小芯片最大的細(xì)分市場(chǎng)，支持小芯片的微處理器市場(chǎng)份額預(yù)計(jì)從 2018 年的 4.52 億美元增長(zhǎng)到 2024 年的 24 億美元；計(jì)算領(lǐng)域?qū)⒊蔀樾⌒酒闹饕獞?yīng)用市場(chǎng)，今年有望占據(jù)小芯片總收入的 96%。

英特爾：Lakefield 處理器與 Foveros 3D 封裝技術(shù)

在 ISSCC 2020 上，英特爾在今年 2 月的 SESSION 8 中介紹了 10nm 與 22FFL 混合封裝的 Lakefield 處理器，采用的是英特爾的 Foveros 3D 封裝技術(shù)，封裝尺寸為 12 X 12 X 1 毫米。Lakefield 作為英特爾首款采用了 Foveros 技術(shù)的產(chǎn)品，能夠在指甲大小的封裝中取得性能、能效的優(yōu)化平衡。

Foveros 封裝技術(shù)改變了以往將不同 IP 模塊放置在同一 2D 平面上的做法，改為 3D 立體式堆疊。做個(gè)類比，傳統(tǒng)的方式是將芯片設(shè)計(jì)為一張煎餅，而新的設(shè)計(jì)則是將芯片設(shè)計(jì)成 1 毫米厚的夾心蛋糕。這樣可以提升靈活性，并且不需要整個(gè)芯片都采用最先進(jìn)的工藝，成本也可以更低。

英特爾針對(duì)互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)的挑戰(zhàn)，首先提出了高級(jí)接口總線（Advanced Interface Bus，AIB）標(biāo)準(zhǔn)。在 DARPA 的 CHIPS 項(xiàng)目中，英特爾將 AIB 標(biāo)準(zhǔn)開放給項(xiàng)目中的企業(yè)使用。AIB 是一種時(shí)鐘轉(zhuǎn)發(fā)并行數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，類似于 DDR DRAM 接口。

目前，英特爾免費(fèi)提供 AIB 接口許可，以支持廣泛的小芯片生態(tài)系統(tǒng)，包括設(shè)計(jì)方法或服務(wù)供應(yīng)商、代工廠、封裝廠和系統(tǒng)供應(yīng)商。此舉將加速 AIB 標(biāo)準(zhǔn)的快速普及，有望在未來(lái)成為類似 ARM 的 AMBA 總線的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)。
 

AMD：使用小芯片技術(shù)的 EYPC Zen 架構(gòu) CPU 芯片

AMD 研究人員最近提出了一種方案，獨(dú)立小芯片的可以經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)，芯片網(wǎng)絡(luò)需要遵守簡(jiǎn)單的規(guī)則，就能基本消除死鎖難題。

這些規(guī)則規(guī)定了數(shù)據(jù)進(jìn)入和離開芯片的問(wèn)題，限制了移動(dòng)的方向，如果能夠徹底解決這個(gè)問(wèn)題，那么小芯片將為未來(lái)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的發(fā)展帶來(lái)新的動(dòng)力。

AMD 大獲成功的 Epyc 同樣使用類似的思路，在此次的 ISSCC 上，AMD 在 SESSION 2 中介紹了使用小芯片架構(gòu)的高性能服務(wù)器產(chǎn)品及性價(jià)比的優(yōu)勢(shì)。

作為英特爾的死對(duì)頭，AMD 自然也不甘示弱，在當(dāng)下，AMD 其實(shí)已經(jīng)為我們帶來(lái)了使用 Chiplets 技術(shù)的 EYPC Zen 架構(gòu) CPU 芯片，包括在 2018 年發(fā)布的服務(wù)器端 Naples CPU 芯片和剛剛結(jié)束的 Computex 2019 上發(fā)布的 7nm Ryzen 桌面級(jí) CPU。

在 AMD EPYC CPU 芯片的基板上，8 個(gè) CPU Chiplets 圍繞著 1 個(gè)中心 I/O Chiplet。I/O Chiplet 使用 14nm 工藝，而 CPU Chiplets 則使用 7nm 工藝。

和英特爾的不同點(diǎn)在于，Epyc 使用的是 2.5D 架構(gòu)的封裝，英特爾使用的是 3D 堆疊封裝。

臺(tái)積電：聯(lián)合 ARM 發(fā)布小芯片系統(tǒng)

在去年六月初于日本京都舉辦的 VLSI Symposium 期間，臺(tái)積電展示了自己設(shè)計(jì)的一顆小芯片“This”。

基本參數(shù)上，This 采用 7nm 工藝，4.4x6.2mm（27.28 mm2），CoWos（晶圓級(jí)封裝），雙芯片結(jié)構(gòu)，其一內(nèi)置 4 個(gè) Cortex A72 核心，另一內(nèi)置 6MiB 三緩。

This 的標(biāo)稱最高主頻為 4GHz，實(shí)測(cè)最高居然達(dá)到了 4.2GHz（1.375V）。同時(shí)，臺(tái)積電還開發(fā)了稱之為 LIPINCON 互連技術(shù)，信號(hào)數(shù)據(jù)速率 8 GT/s。

臺(tái)積電還與高效能運(yùn)算的領(lǐng)導(dǎo)廠商 Arm 共同發(fā)表業(yè)界首款采用臺(tái)積電 CoWoS 封裝解決方案并獲得硅晶驗(yàn)證的 7nm 小芯片系統(tǒng)，其中內(nèi)建 Arm 多核心處理器。

此款概念性驗(yàn)證的小芯片系統(tǒng)展現(xiàn)在 7nmFinFET 制程及 4GHz Arm 核心的支持下打造高效能運(yùn)算的系統(tǒng)單芯片之關(guān)鍵技術(shù)。

想全面實(shí)現(xiàn)需面臨的挑戰(zhàn)

①最終目標(biāo)是在內(nèi)部或從多個(gè)其他供應(yīng)商那里獲得優(yōu)質(zhì)且可互操作的小芯片，這種模型仍在研究中。

②第三方 die-to-die 的互連技術(shù)正在興起，但還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

③某些 die-to-die 的互連方案缺乏設(shè)計(jì)支持。

④代工廠和 OSAT 將扮演主要角色，但是要找到具有 IP 和制造能力的供應(yīng)商并不簡(jiǎn)單。

⑤設(shè)備的類型和數(shù)量正在不斷增加，并非所有產(chǎn)品都會(huì)采用基于小芯片的方法。在某些情況下，單片模具將是成本最低的選擇。

⑥并非所有公司都有內(nèi)部組件，有一些是能夠獲得的，還有一些則還未準(zhǔn)備好。當(dāng)前面臨的挑戰(zhàn)是找到必要的零件并將其集成，這將花費(fèi)時(shí)間和資源。

結(jié)尾：

業(yè)界需要有不同的選擇，傳統(tǒng)的解決方案有時(shí)無(wú)法滿足這些選擇，小芯片卻提供了各種可能性和潛在的解決方案。