打造生態(tài)系 小芯片卷起半導體產(chǎn)業(yè)一池春水

在過(guò)去數年的時(shí)間，半導體的2.5D異質(zhì)整合芯片的確解決了很多半導體產(chǎn)業(yè)發(fā)展上所遇到的挑戰，包括舒緩摩爾定律的瓶頸，還有在降低一次性工程費用 ( Non-Recurring Engineering；NRE ) 的同時(shí)，還能提供高階處理能力，并且還能提高產(chǎn)量以及縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。

小芯片生態(tài)系統成形
隨著(zhù)半導體技術(shù)不斷的發(fā)展，在技術(shù)上其實(shí)已經(jīng)不太是個(gè)問(wèn)題了。特別是近年來(lái)先進(jìn)制程的開(kāi)發(fā)不斷傳出新的捷報，在摩爾定律的瓶頸上似乎又被工程界不斷開(kāi)發(fā)出新的道路。因此看今天的半導體發(fā)展，技術(shù)并不是個(gè)太大的難題，主要的問(wèn)題在于一個(gè)全新商業(yè)模式的形成。
在今天的半導體業(yè)界，許多大型企業(yè)為了加速芯片整合速度，以及提升半導體密度，因而使用了2.5D芯片。事實(shí)上進(jìn)一步觀(guān)察這些廠(chǎng)商的規模，已經(jīng)足以走出一條自己的路，并開(kāi)創(chuàng )出一條自己的半導體小芯片（Chiplet）生態(tài)系統。
至于不到那么大規模的半導體企業(yè)，最大的挑戰仍是在于現成小芯片設計上的可用性，例如透過(guò)這種方式去發(fā)展出異質(zhì)整合芯片（Heterogeneous SoC；HSoC）。如果不是透過(guò)小芯片的方式來(lái)發(fā)展異質(zhì)整合芯片，其初始HSoC開(kāi)發(fā)的NRE費用將可能會(huì )比傳統SoC還更昂貴。

持續實(shí)現獲利
事實(shí)上，在半導體制造中的真正革命，所需要的是小芯片的有效商用市場(chǎng)。少了這樣的小芯片生態(tài)系統，小芯片和異質(zhì)整合芯片仍將永遠是大型半導體制造商的專(zhuān)屬領(lǐng)域，一般中小型半導體廠(chǎng)商根本沒(méi)有能力跨入。此類(lèi)市場(chǎng)的關(guān)鍵是適當的庫存、兼容性、資料文文件和可測試性。盡管如此，對于任何的商業(yè)實(shí)體來(lái)說(shuō)，其實(shí)都需要一條更明確的途徑來(lái)實(shí)現持續的獲利，特別是半導體產(chǎn)業(yè)這種動(dòng)輒花費高額成本的燒錢(qián)產(chǎn)業(yè)。
小芯片的推動(dòng)需要生態(tài)圈中許多不同的角色的參與，而建立小芯片市場(chǎng)的起步，非常需要一個(gè)推動(dòng)的力道，這里所指的力道，其中很關(guān)鍵的要素是大量的初期投資，來(lái)使小芯片的計劃啟動(dòng)。在新興市場(chǎng)中，特別是半導體市場(chǎng)，任何先行者都將會(huì )面臨著(zhù)許多不確定性。因此市場(chǎng)的推動(dòng)者必須準備一筆大量的投資，并且愿意冒險?；旧?，一個(gè)強有力的技術(shù)推動(dòng)者（講明了就是一個(gè)龐大的財團），很可能正是帶領(lǐng)這種新技術(shù)典范起飛的關(guān)鍵。

異構3D封裝系統
3D整合和封裝技術(shù)的進(jìn)步，現在使得在包含多種技術(shù)小芯片的單一封裝中構建復雜的系統成為可能。
從歷史上看，由于功率、性能和成本方面的考慮，高級整合使用整體式設計來(lái)實(shí)現。透過(guò)包裝和堆棧技術(shù)的創(chuàng )新，設計人員可以將其系統與小芯片整合到單一封裝中，這些小芯片可以使用所選定的制程技術(shù)來(lái)優(yōu)化特定功能。
新興系統要求以極小的接口功率來(lái)實(shí)現非常高的互連帶寬。實(shí)現這一目標的兩個(gè)關(guān)鍵要素：包括超短距離接口標準和3D整合封裝技術(shù)。

先進(jìn)接口總線(xiàn)AIB
 

圖一 : 可能的異構系統封裝范例，該系統使用AIB作為接口將傳感器、ASIC、FPGA、CPU、內存和I / O串連在一起。

英特爾的先進(jìn)接口總線(xiàn)（Advanced Interface Bus；AIB）技術(shù)，是芯片對芯片的PHY級別傳輸標準，可透過(guò)Chiplet的IP庫來(lái)實(shí)現模塊化的系統設計方法。
AIB使用類(lèi)似于DDR DRAM接口的并行數據傳輸機制。AIB與制程和封裝技術(shù)無(wú)關(guān)，例如英特爾的嵌入式多晶?；ミB橋接（EMIB）或臺積電的CoWoS等封裝技術(shù)。英特爾現在提供免版稅的AIB接口授權，以支持廣泛的小芯片設計、服務(wù)提供商、代工廠(chǎng)、封裝和系統供貨商等生態(tài)系統。

打造小芯片生態(tài)鏈
許多主要的大型半導體供貨商，例如英特爾、AMD、Marvell，還有一些具有規模的系統公司（例如思科）都正在投入開(kāi)發(fā)HSoC異構系統，這些科技大廠(chǎng)基本上特性并不相同，而他們投入開(kāi)發(fā)異構系統通常也出于不同的原因。
例如英特爾可能就是這種異構技術(shù)的最大采用者，且至少已經(jīng)投入發(fā)展幾種不同的異構產(chǎn)品線(xiàn)。例如透過(guò)異構技術(shù)來(lái)打造出優(yōu)化的處理器產(chǎn)品，以及在FPGA產(chǎn)品在線(xiàn)，透過(guò)異質(zhì)化的架構來(lái)完備其FPGA架構，使其FPGA可以允許更高速的運算處理。
至于A(yíng)MD則是透過(guò)異構設計來(lái)提高芯片的產(chǎn)量，并允許將重點(diǎn)發(fā)展的產(chǎn)品透過(guò)最為最先進(jìn)且最昂貴的7nm制程技術(shù)來(lái)生產(chǎn)。而思科之所以采用異構設計，是因為它們的系統已經(jīng)變得非常龐大，透過(guò)異質(zhì)架構才是最適合的發(fā)展方式。
在所有的這些情況下，工程團隊都在解決非常特定的問(wèn)題，盡管這些問(wèn)題不一定會(huì )通用到足以被廣泛采用。我們可以發(fā)現，透過(guò)小芯片的使用，讓他們能夠將產(chǎn)品推向市場(chǎng)，而且這些產(chǎn)品比起競爭對手的商品還要更有競爭優(yōu)勢。為了避免競爭對手也獲得相同的技術(shù)，進(jìn)而推出相似的競爭產(chǎn)品，這些小芯片的供貨商不太可能與其他廠(chǎng)商共享小芯片技術(shù)。

結語(yǔ)


圖二 : 小芯片的設計架構示意

在這樣的商場(chǎng)現實(shí)之下，未來(lái)主要的半導體公司都將繼續按著(zhù)自家私有的小芯片生態(tài)系統發(fā)展道路走下去。盡管英特爾在幾年前推出了先進(jìn)接口總線(xiàn)AIB標準，正是針對小芯片之間的相互鏈接而打造，目前Intel也陸續推出了更新一代的EMIB封裝標準，然而其他小芯片廠(chǎng)商的采用度還有待觀(guān)察，在采用上還存在諸多考慮（一般認為多半都是出自于各自的利益使然），這樣的考慮也使得小芯片生態(tài)鏈的發(fā)展受到了些許限制與阻礙。
**刊頭圖（source：intel.com）