芯粒(Chiplet)的普及需要更多跨公司的最佳实践协作

shuszhao · 发表于 2020-8-12 09:12:46

芯粒（Chiplets）作为一个可行的先进芯片设计和制造方案日渐被业界认可，但却发现有太大的问题需要解决。
摩尔定律已经有55年的发展历史，半导体制造的步伐也在放缓，“芯粒”为半导体设计和集成提供了一种新的方案，有望再次加速行业的发展。据研究机构Omdia最新发布的研究报告预测，在制造工艺中采用“芯粒”的微处理器芯片未来会快速增长，到2024年全球市场将达到58亿美元，而2018年只有6.45亿美元。（如图1所示）
Omdia嵌入式处理器首席分析师Tom Hackenberg表示，通过有效地绕过摩尔定律，芯粒可以使半导体行业恢复到摩尔定律设定的惯常进度。芯粒用多个小芯片来代替单个芯片，并将它们封装在一起，这要比单个芯片提供更多的晶体管。他表示，这将使半导体重返两年翻倍的发展周期，自1965年以来摩尔定律一直是半导体行业增长的经济基础定律。

Hackenberg表示，尽管芯粒具有很好的前景和深远的意义，但它并不是一个新概念。“很长时间以来，业界一致致力于缩小产品尺寸。”逐渐地，从系统级到板级，再到芯片级。“现在，我们在谈论下一级的方案，这是比芯片更低的层级，即芯粒级别。”
主要的半导体制造商都已转向芯粒，以应对摩尔定律物理极限所产生的影响。“摩尔定律在经济方面对我们造成的打击来得非常迅速。”正如产品设计小型化趋势带来的成本上涨促使制造商探索3D、新材料以及其它途径，以便在不牺牲良率的前提下提高性能，芯粒也代表了另一个技术探索的途径。
图1：Omdia预测，在制造工艺中采用芯粒的微处理器芯片全球市场到2024年将增长到58亿美元
Hackenberg表示，芯粒的出现不仅是要在获得更高良率的同时进一步缩小芯片，随着电子产品往各个角落渗透，解决方案愈加倾向于更高密度、更加异构化，一小块半导体器件就可以执行非常具体的应用功能。他说：“一个小型子系统可能是信号处理器，另一个小型子系统可能是图形处理器，还有一个可能是安全引擎或AI加速器。这种新兴且正在增长的异构芯片市场非常需要芯粒制造所提供的技术。”
Objective Analysis首席分析师Jim Handy认为，芯粒的另一个吸引人之处在于，你可以使用经过实际验证的组件和技术来构建它们，从而最大程度地减少失败几率。过去，如果将一个100美元的处理器和几个低成本的SRAM封装在一起，只要有一个SRAM失效，所有东西都会报废，包括这个昂贵的处理器。他说，芯片测试与封装的进步降低了这种风险。“你可以挑选组件，知道它们是可以协同工作的，而且知道你将不会报废那个100美元的处理器。”
在芯粒还没有流行之前，赛灵思（Xillinx）就开始采用它了。该公司芯片营销总监Manuel Uhm说：“多年来，我们以不同的方式和形式使用芯粒。”他们拥有许多已投放市场的芯粒产品，例如，其堆叠硅片互连（SSI）技术已经发展到第四代，Virtex UltraScale +则采用芯粒将其大型FPGA裸片与高带宽存储器（HBM）集成在一起。（参见图2）
图2：赛灵思的3D IC器件（比如VU19P）采用堆叠硅片互连（SSI）技术，它可在多个裸片间实现高带宽连接，而且其每瓦功耗下能够提供的裸片间带宽可以与多芯片方案相媲美。
Uhm承认也有一些产品从未推向市场。“我们不断创新、尝试，我们了解到最能满足客户需求的产品是什么。从某些方面来说，在系统级、单芯片中实现所有功能更容易。两者各有利弊。” 芯粒的优势在于，通过将多个较小的裸片组合在一起创建更大的器件，就能够提供令人难以置信的计算密度。
Uhm说，芯粒技术支持不同供应商的裸片集成，这样他们可以各自专注于自身的优势。而且，由于不必采用新一代工艺节点就能获取很好的性能提升，这样能够以最优价格获得最佳性能。他说，有些芯粒产品可能包括一个60nm的裸片，还包括一个28nm的裸片，以满足应用所要求的成本目标。由于所采用的都是经过可靠性验证的技术，也降低了风险，这种模块化的设计可以做到既灵活又可靠。
芯粒已经存在很长时间了，像赛灵思这样的公司都是各自开发他们自己的一套方法，来将不同裸片整合在一起。所以问题就来了：是否有必要统一标准？
图3：采用预先验证的芯粒，zGlue集成平台（ZiP）可以在三周内提供原型
开放计算项目（OCP）CTO Bill Carter表示，OCP也在寻求这个问题的答案，但不是通过设置硬性规则，而是试着将常用的芯粒集成流程的最佳实践整理出来。“这其中有太多东西需要清理。”
OCP发起的开放特定域架构（ODSA）子项目致力于通过引入新的接口、链接层、市场和交流，以及早期概念验证，来定义和开发芯粒体系架构。在这个过程中可能会出现统一的标准，但现在迫切需要围绕各种类型的芯粒来汇总信息，以便将它们成功地组装到单个封装中，这些信息包括凸块模式、空间尺寸、封装公差和裸片公差等。
Carter表示，芯粒的另一个重要方面是测试覆盖率。要在裸片或封装中有效测试特定功能，需要共享每个芯粒的工艺信息。他说，如果发现某些问题，还需要有一个流程来调试芯粒问题，特别是可能涉及多个供应商，问题需要被隔离开。“可能有两家不同的公司提供裸片，而由第三家公司负责生产，有些业务流程问题必须解决。”
作为ODSA参与者，zGlue是一家致力于梳理和构建芯粒生态系统的公司。他们提供了一个平台和流程，客户可以按需构建定制芯片，以帮助硬件供应商应对日益紧张的产品面市压力。zGlue联合创始人兼CTO Jawad Nasrullah说，要将芯粒整合在一起，需要有模板作为指南，并要为设计师创建一个可以跟踪各种特性的参数库，例如功率和测试能力。
芯粒就好比面向对象的编程，它是一种基于对象概念的思维范式，可以包含字段形式的数据和过程形式的代码，硬件设计正在发生类似的思维范式转变。Nasrullah表示，对于芯粒，迫切需要的是接口，不仅仅是电气接口，还有可以简化设计、制造与协作的接口。zGlue公司最近推出了开放芯粒计划（OCI）来培育该市场。他说，如果一切都是内部解决，那实际上只是多芯片模块化设计。“但我们需要跨公司的协作。”
OCI提供了一个开源设计、工具和文件格式库，它涵盖了从工具集直到完整设计的整个芯粒生态系统。OCI工具包含zGlue交换格式（ZEF）、启动/测试软件库（PyChipBuilder）、设计示例、开发套件，以及用于展示和分发开源项目的中心。
Carter表示，随着越来越多的公司开始转向并使用芯粒，传统意义上内部开发的专有技术流程和方法将逐步曝光。“这些信息其实不必专有。过去它被视为专有，是因为它从未向公司外部公开过。”