1965 年，戈登·摩爾假設(shè)微芯片上的晶體管數(shù)量大約每兩年翻一番。過去幾十年表明這是一個(gè)準(zhǔn)確的預(yù)測，因?yàn)槊總€(gè)新發(fā)布的芯片上都封裝了更多的晶體管，并且節(jié)點(diǎn)尺寸急劇縮小。

　　盡管如此，在不對器件功能產(chǎn)生負(fù)面影響的情況下，半導(dǎo)體節(jié)點(diǎn)尺寸可以變得多么小是有限度的。根據(jù)麻省理工科技評論，半導(dǎo)體行業(yè)已經(jīng)承認(rèn)工藝節(jié)點(diǎn)尺寸將很快停止縮小——我們所知道的摩爾定律將終結(jié)。

　　有效回避此節(jié)點(diǎn)大小限制的一種有前途的方法是芯片級異構(gòu)集成。這意味著在一個(gè)封裝中連接幾個(gè)專用的、更小的半導(dǎo)體器件，以創(chuàng)建系統(tǒng)級封裝 （SiP），而不是片上系統(tǒng) （SoC）。通過將芯片的功能拆分為稱為小芯片的較小設(shè)備，半導(dǎo)體制造商可以獲得比單片 SoC 更高的產(chǎn)量。

　　近年來，隨著基于小芯片的處理器（例如 AMD 的 Zen 2）越來越受歡迎，行業(yè)研究和開發(fā)的重點(diǎn)是提高異構(gòu)架構(gòu)中的芯片到芯片互連能力。

　　SiP小芯片架構(gòu)的興起

　　除了提高良率外，異構(gòu)小芯片架構(gòu)還允許制造商通過在單個(gè)封裝中組合不同類型的內(nèi)核來創(chuàng)建優(yōu)化的處理器。例如，異構(gòu)移動處理器可以在單獨(dú)的小芯片上同時(shí)具有高性能、高功耗的內(nèi)核和低性能、低功耗的內(nèi)核。這允許稱為調(diào)度程序的操作系統(tǒng)程序確定哪些程序（線程）專用于每種類型的內(nèi)核并優(yōu)化整體功率和性能。

　　即便如此，基于小芯片的設(shè)計(jì)也有其自身的技術(shù)挑戰(zhàn)。SiP 小芯片架構(gòu)的主要障礙之一是構(gòu)建具有成本效益、高性能和節(jié)能的裸片到裸片互連。

　　用于芯片間通信的并行互連

　　與其他系統(tǒng)一樣，有兩種廣泛類型的物理層裸片到裸片互連：并行和串行。并行和串行互連都具有重要的優(yōu)勢，并且根據(jù) SiP 的幾何形狀使用。通常，存在三種類型的 SiP 幾何形狀：2D、2.5D 和 3D。

　　從歷史上看，基于小芯片的架構(gòu)和 SoC 架構(gòu)通常使用 2D 封裝幾何形狀。對于這樣的幾何結(jié)構(gòu)，兩個(gè)小芯片可能相距較遠(yuǎn)，串行 SerDes PHY 通常與僅使用一根線傳輸?shù)臅r(shí)鐘和數(shù)據(jù)一起使用。

　　SerDes 是一個(gè)串行器/解串器系統(tǒng)。該系統(tǒng)從一個(gè)小芯片接收并行時(shí)鐘和數(shù)據(jù)信號，將其串行化為單線，并以非常高的數(shù)據(jù)速率將其通過基板傳輸?shù)搅硪粋€(gè)小芯片。這對于較長的傳輸距離（例如 2D 幾何 SiP 系統(tǒng)中的傳輸距離）很有用，因?yàn)樗瞬⑿谢ミB中出現(xiàn)的時(shí)鐘和數(shù)據(jù)線之間的時(shí)序偏差。本文中的時(shí)序偏差是指由于傳輸線中的傳播延遲，數(shù)據(jù)和時(shí)鐘信號到達(dá)接收器的時(shí)間差異。

　　然而，SerDes 互連是有代價(jià)的：由于串行數(shù)據(jù)和時(shí)鐘以及隨后在接收器上恢復(fù)這兩個(gè)信號所需的復(fù)雜電路，它們通常會消耗更多功率。

　　為了解決這個(gè)問題，半導(dǎo)體設(shè)計(jì)公司已經(jīng)開始研究使用并行互連和中介層的 2.5D 和 3D 小芯片幾何結(jié)構(gòu)。中介層允許小芯片堆疊并大大減少數(shù)據(jù)和時(shí)鐘信號需要在小芯片之間傳輸?shù)木嚯x。此外，中介層還允許非常高密度的并行連接。

　　因?yàn)?2.5D 和 3D 幾何結(jié)構(gòu)通過垂直堆疊減少了die之間的距離，所以時(shí)序偏差不會像在 2D 幾何結(jié)構(gòu)中那樣成為問題。因此，并行互連提供了功率效率的最佳組合，同時(shí)仍然能夠匹配 2D 幾何圖形中使用的 SerDes 方法的帶寬。

　　此外，并行互連還可以實(shí)現(xiàn)低得多的延遲傳輸，因?yàn)椴辉儆信c SerDes 系統(tǒng)中的序列化、反序列化、編碼和解碼相關(guān)的任何開銷。事實(shí)上，英特爾已經(jīng)證明其高級接口總線 （AIB） 標(biāo)準(zhǔn)與 SerDes 系統(tǒng)相比，總延遲（延遲）要低得多。

　　標(biāo)準(zhǔn)化 Chiplet 互連協(xié)議

　　隨著高性能計(jì)算和機(jī)器學(xué)習(xí)的興起，異構(gòu)處理器必須處理的工作負(fù)載急劇增加。因此，宣布了一項(xiàng)名為Universal Chiplet Interconnect Express （UCIe）的新協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，以幫助在整個(gè)半導(dǎo)體行業(yè)建立一個(gè)開放的小芯片生態(tài)系統(tǒng)。UCIe 是一種分層協(xié)議，它指定了物理層、die-to-die 適配器層和協(xié)議層。它允許 2D 和 2.5D 幾何形狀用于封裝，如下圖所示。

　　UCIe 力求成為整個(gè)半導(dǎo)體行業(yè)使用的節(jié)能和成本效益標(biāo)準(zhǔn)，并可能在未來的異構(gòu)架構(gòu)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。