圍繞小芯片形成的小型聯(lián)盟

受市場(chǎng)增加定制需求的推動(dòng)，以及已在硅中得到驗證的強化 IP 組合的推動(dòng)，小芯片的小型聯(lián)盟正在整個(gè)行業(yè)興起。

這些松散的合作伙伴正在努力為高度特定的應用程序和終端市場(chǎng)開(kāi)發(fā)類(lèi)似樂(lè )高積木的集成模型。但它們都是從小規模開(kāi)始的，因為事實(shí)證明，很難在各種用例中工作的小芯片創(chuàng )建商業(yè)市場(chǎng)。使用標準化方案連接小芯片是一回事，例如通用小芯片互連高速 (UCIe)，或使用英特爾或三星開(kāi)發(fā)的橋接器。期望它們在不同計算負載和操作條件下的異構設備中工作是另一回事。

很難預測不同的小芯片如何相互作用，以及它們在不同用例下的表現。即使使用最好的仿真工具，也沒(méi)有足夠的數據，而且對于許多應用來(lái)說(shuō)可能永遠如此。但是，除非這些小芯片在其他組件和不同用例的背景下得到充分表征，否則可能會(huì )出現涉及熱管理、各種類(lèi)型的噪聲、不同的壓力和不一致的老化等問(wèn)題，所有這些都會(huì )影響現場(chǎng)的可靠性。

另一方面，小芯片已被證明在受控情況下工作得非常好。十年來(lái)，AMD 和 ASE 一直在小芯片和圖形子系統方面進(jìn)行合作。Marvell 從 2016 年開(kāi)始使用小芯片。英特爾代工業(yè)務(wù)正在為基于小芯片的數據中心客戶(hù)定制系統。

圖 2：AMD 的 EPYC 架構集成了不同的工藝技術(shù)。來(lái)源：Synopsys/AMD/Chiplet Summit

然而，所有這些公司都依賴(lài)內部采購的小芯片來(lái)創(chuàng )建本質(zhì)上是分解的 SoC，他們可以完全控制系統?，F在的挑戰是開(kāi)始開(kāi)發(fā)小芯片和適合小芯片的架構，這些架構可以在任何供應商的設備上進(jìn)行商業(yè)銷(xiāo)售。

「在某些方面，我們正處于一個(gè)新時(shí)代，」日月光集團研究員兼高級技術(shù)顧問(wèn) Bill Chen 說(shuō)?！竷?yōu)化是一種選擇，允許這些選擇對我們來(lái)說(shuō)很重要。我們也處在一個(gè)開(kāi)放共享的時(shí)代。小芯片、SiP、異構集成，我們從最困難的領(lǐng)域開(kāi)始，也就是高性能計算。有兩個(gè)原因。一是這是最需要它的市場(chǎng)部門(mén)。二是，這是開(kāi)發(fā)這些產(chǎn)品的地方，也是解決這些問(wèn)題的技術(shù)所在。然后我們可以轉向通信和其他市場(chǎng)，例如可穿戴設備和醫療應用?！?/span>

這就是不同供應商開(kāi)發(fā)的商業(yè)小芯片適用的地方。但正如處于這一轉變前沿的公司將證明的那樣，從不同供應商采購小芯片增加了一系列全新的挑戰。即使這個(gè)想法在理論上是有意義的，它也從未實(shí)現過(guò)。

「三星電子正在構建自己的生態(tài)系統，」三星電子知識產(chǎn)權和生態(tài)系統營(yíng)銷(xiāo)總監 Kevin Yee 說(shuō)?！讣幢闳绱?，我們也學(xué)到了很多事。從技術(shù)角度來(lái)看，chiplet 已經(jīng)存在并得到了驗證。但目前，它們都是垂直整合的。因此，小芯片作為一種解決方案存在并且正在發(fā)揮作用。每個(gè)人都將首先開(kāi)始構建自己的微生態(tài)系統，以確保其正常運行。所以一家公司會(huì )做一個(gè) I/O 芯片，一個(gè)會(huì )做互連，一個(gè)會(huì )做數據芯片。你將確定如何構建它以及如何構建可行的東西。但最重要的是，你可以在 6 個(gè)不同的計算芯片或 10 個(gè)不同的 I/O 芯片之間進(jìn)行選擇，選擇內存芯片，然后將它們放在一起。在那之前，我們還有很長(cháng)的路要走?！?/span>

同樣，專(zhuān)注于先進(jìn)封裝和小芯片設計的 Palo Alto Electron (PAe) 正在率先成立自己的小芯片聯(lián)盟，其中包括 Promex Industries（系統集成）、Thrace Systems（功耗分析）、Palo Alto Electron（先進(jìn)封裝和小芯片設計）、iTest（可靠性和故障分析）、Hyperion（系統級設計、互連和高級封裝）和 Anemoi Software（熱求解器）。

「這是一個(gè)最低限度的可行生態(tài)系統，所有這些公司都在美國，」PAe 首席執行官 Jawad Nasrulla 說(shuō)?！肝覀儗ふ医鉀Q特定技術(shù)問(wèn)題的小型企業(yè)和創(chuàng )新型初創(chuàng )公司。例如，Anemoi Software 專(zhuān)注于小芯片的熱建模。功率/熱能是進(jìn)行設計的關(guān)鍵支持技術(shù)。Palo Alto Electron 擁有構建 IC 的經(jīng)驗，在過(guò)去的七年中，我們一直在使用小芯片來(lái)做這件事。這些公司中的每一個(gè)都是某個(gè)領(lǐng)域的專(zhuān)家?，F在我們需要學(xué)習如何與彼此合作?！?/span>

正在創(chuàng )建的一些小芯片本身就是模塊或微型系統，而不是像特定 I/O 這樣的獨立 IP，至少已經(jīng)完成了一些集成工作。但隨著(zhù)商業(yè)小芯片市場(chǎng)的發(fā)展，可能會(huì )有更多針對特定工作或功能的小芯片，而不是完整的子系統。這可以讓客戶(hù)在 chiplet 架構中添加可編程性和更多可定制性，而無(wú)需更改整體架構，這類(lèi)似于英特爾和 Marvell 所走的道路。

「看看小型、中型和大型汽車(chē)，每一種都需要完全不同數量的電子設備，」Fraunhofer IIS 自適應系統部工程高效電子部門(mén)負責人 Andy Heinig 說(shuō)?！感⌒酒屇阕兊酶屿`活。但在未來(lái)可能能夠將小芯片組合在一起以創(chuàng )建更大的小芯片。你可以用這種方式配置你的電子設備，幾乎就像積木一樣，以獲得對汽車(chē)的確切需求?！?/span>

這需要時(shí)間來(lái)發(fā)展。目前，許多 chiplet 制造商正在更高層次上解決這個(gè)問(wèn)題。

「小芯片被分解成相對較大的塊，」Promex 的 Otte 說(shuō)?！高@就像芯片設計師設計了單個(gè)芯片，然后有人必須將所有這些整合在一起并進(jìn)行高級設計，不僅要集成小芯片，還要集成您正在使用的任何互連、基板或中介層技術(shù)，如出色地。第三部分是這個(gè)組裝服務(wù)，這是我們的角色。如果這被證明是一個(gè)非常成功的模式，并且我們能夠為客戶(hù)提供質(zhì)量和良好的經(jīng)濟效益，那么它就有可能像滾雪球一樣滾雪球并成為一項主要活動(dòng)，我們將陷入更困難的問(wèn)題，我們有一個(gè)許多項目在不同的州進(jìn)行。這意味著(zhù)不同種類(lèi)的協(xié)調?，F在的問(wèn)題是尋找客戶(hù)。稍后將是零件的交付?！?/span>

重新思考老問(wèn)題

多年來(lái)，整個(gè)芯片行業(yè)的普遍共識是，業(yè)務(wù)關(guān)系將是 chiplet 市場(chǎng)運作的一大障礙。然而，正如這些小型財團的努力所表明的那樣，也存在許多技術(shù)挑戰。雖然這些財團通常會(huì )選擇一個(gè)「總承包商」來(lái)監督設計到制造流程的各個(gè)方面，但已經(jīng)涉及很多步驟，隨著(zhù)小芯片變得更有針對性和功能更窄，還會(huì )有更多步驟。

「當你做小芯片時(shí)，心態(tài)必須改變，」Yee 說(shuō)?！负芏嗳巳匀徽J為這就像構建 SoC。你現在真的在構建一個(gè)完整的系統。如何配置計算芯片？我必須有哪些邊帶信號？需要考慮固件。是否設置為使用該固件并啟動(dòng)他們的計算芯片？現在有很多系統級的討論涉及人們以前沒(méi)有真正考慮過(guò)的問(wèn)題?！?/span>

選擇正確的封裝也是一個(gè)挑戰?！改阌羞@么多不同的需求，」Synopsys 的 IP 產(chǎn)品線(xiàn)高級組總監 Michael Posner 說(shuō)?！改銜?huì )想這些應該能夠將每一個(gè)都放在一個(gè)盒子里，也許可以想出一個(gè)適用于所有這些的單一 IP，但事實(shí)并非如此。你有不同的凸點(diǎn)間距、不同的性能和功率、不同的寄生效應和電源完整性問(wèn)題。因此，不像我們傳統上為 IP 做的那樣，每個(gè)節點(diǎn)都有一個(gè)過(guò)孔，可能是南北或東西方向，我們最終有一個(gè)用于高級，一個(gè)用于標準，一個(gè)用于 RDL，因為技術(shù)的變化。我們需要在整個(gè)生態(tài)系統中開(kāi)發(fā)的 IP 數量呈爆炸式增長(cháng)，目前還沒(méi)有明確的領(lǐng)導者?！?/span>

有舊的東西，也有新的東西

當然，并非所有這些都是新的。使用先進(jìn)封裝的 OSAT 和代工廠(chǎng)至少解決了一些挑戰，例如如何處理小芯片、如何確保這些芯片是已知的良好芯片，以及各種互連方案，例如混合鍵合或微凸塊。在 2.5D 實(shí)現中，HBM 主要用作可與許多不同配置配合使用的小芯片。

「三星的封裝技術(shù)在為三星代工廠(chǎng)提供完整解決方案方面具有顯著(zhù)優(yōu)勢，」Yee 說(shuō)?！冈搱F隊從其在內存封裝方面的領(lǐng)導地位中學(xué)到的東西可以應用于代工。HBM 是存儲器領(lǐng)導地位的一個(gè)很好的例子，封裝中的多芯片使代工小芯片成為可能。當我們轉向小芯片時(shí)，您無(wú)法將流程和設計與封裝分開(kāi)。他們將齊頭并進(jìn)。當人們想到小芯片時(shí)，他們假設你將能夠直接運行一個(gè)到另一個(gè)的連接。一般來(lái)說(shuō)，這會(huì )奏效。實(shí)際上出現偏移怎么辦？我們正在進(jìn)行測試以確定實(shí)際的路由路徑，以確保高信號質(zhì)量?！?/span>

還有一些行之有效的連接小芯片的方法，例如 UCIe、線(xiàn)束 (BoW)、硅中介層、橋接器，甚至混合鍵合。將來(lái)，這些方法中的一種以上可能會(huì )用于復雜的設計，從而為更多創(chuàng )新打開(kāi)大門(mén)。

例如，Eliyan 是一家開(kāi)發(fā)小芯片互連的初創(chuàng )公司，它專(zhuān)注于通過(guò)在小芯片的兩側構建物理互連層 (PHY) 來(lái)消除 UCIe 兼容設計中的中介層?！高@消除了制造、熱管理的任何復雜性，并使我們能夠儲存我們從舊的 MCM（多芯片模塊）時(shí)代學(xué)到的所有東西，」聯(lián)合創(chuàng )始人兼業(yè)務(wù)主管 Patrick Soheili 說(shuō)?！肝覀冇媱澮晕覀兊募夹g(shù)為基礎構建一堆小芯片。所以我們會(huì )在一端使用我們的技術(shù)，在另一端使用一些其他東西，并將兩個(gè)、三個(gè)或四個(gè)東西連接在一起。也許它們是 HBM 設備，也許它們是其他 I/O 控制器?！?/span>

將設備連接在一起的可能方案的數量正在迅速增長(cháng)。去年秋天，臺積電推出了 3D Fabric Alliance，以在 3D 封裝中連接不同的層和設備?！肝覀儞碛?EDA、IP 和設計服務(wù)，我們還在增加內存合作伙伴、幫助我們組裝這些設備的 OSAT 以及在 3D 中變得極其重要的基板，」臺積電的總監 Dan Kochpatcharin 說(shuō)?！高@些設備可以有 10 厘米高，基板可以有 20 層或更多層。所以我們需要確保我們將他們的路線(xiàn)圖與我們的路線(xiàn)圖對齊，以便我們可以與他們進(jìn)行交互，也許會(huì )有不同的材料一起工作。然后你必須考慮測試整個(gè)系統，這并不容易。所以我們正在與 Advantest 和 Teradyne 合作，以及 EDA 供應商。IP 在測試中很重要，因為我們需要針對可靠性進(jìn)行設計?！?/span>

圖 4：TSMC 的 3DFabric 生態(tài)系統模型。來(lái)源：臺積電

而這只是出現的一些通用集成方案的開(kāi)始。在這個(gè)市場(chǎng)被整理出來(lái)之前還會(huì )有更多的東西，并且會(huì )有越來(lái)越多的證據表明什么有效，什么無(wú)效，以及一些從未被考慮過(guò)的新問(wèn)題。例如，小芯片的不均勻老化會(huì )導致各種以前從未解決過(guò)的可靠性問(wèn)題，特別是在預計設備可以多年保持功能的市場(chǎng)中。因此，隨著(zhù)小芯片和封裝經(jīng)濟的發(fā)展，一個(gè)領(lǐng)域的成本節省可能會(huì )被另一個(gè)領(lǐng)域的成本增加所抵消，而隨著(zhù)小芯片模型的發(fā)展，客戶(hù)今天支付的成本可能會(huì )變得不那么有吸引力。

Amkor Technology 高級工程師 Nathan Whitchurch 表示：「我們看到越來(lái)越多的客戶(hù)決定接受 TIM（熱界面材料，只是為了讓他們的設備能夠正常工作）的成本?！鼓鞘切胁煌ǖ?。過(guò)去奇特的東西變得越來(lái)越不那么奇特了，比如燒結銀類(lèi)別，你最終會(huì )在蓋子和芯片之間形成非常堅硬、高導熱性的銀合金基體，別的會(huì )更軟?！?/span>

結論

小芯片是合乎邏輯的下一步，因為對于大多數芯片制造商來(lái)說(shuō)，將所有東西縮小并塞進(jìn)單個(gè) SoC 的成本變得不經(jīng)濟。這讓業(yè)界很多人都在考慮下一步，并且能夠至少標準化軟件包中的某些組件以創(chuàng )建定制解決方案是實(shí)現大規模定制的合乎邏輯的方法。

如果這種方法成功，它可能會(huì )改變設備進(jìn)入市場(chǎng)的方式，同時(shí)允許以低得多的價(jià)格進(jìn)行更多定制。因此，新架構的巨大性能提升將在更多的利基市場(chǎng)中出現，而無(wú)需從頭開(kāi)發(fā) ASIC 或 SoC 的沉重代價(jià)。如果可以將一些自定義小芯片添加到架構中，那么適用于 80% 市場(chǎng)的產(chǎn)品可能仍會(huì )對其他 20% 的市場(chǎng)產(chǎn)生巨大好處。但是有很多細節需要先解決，芯片行業(yè)正在弄清楚這些細節。這些小型聯(lián)盟是找出問(wèn)題所在、可以標準化的內容以及領(lǐng)域專(zhuān)業(yè)知識將在此過(guò)程中扮演什么角色的第一步。