繞開(kāi)先進(jìn)制程封鎖！中國“小芯片”標準草案即將公示，獨家對話(huà)郝沁汾

▲蘋(píng)果Chiplet專(zhuān)利與M1 Ultra芯片（參考專(zhuān)利US 20220013504A1）

▲無(wú)錫芯光互連技術(shù)研究院院長(cháng)、無(wú)錫芯光集成電路互連技術(shù)產(chǎn)業(yè)服務(wù)中心主任、中國計算機互連技術(shù)聯(lián)盟秘書(shū)長(cháng)、中科院計算所研究員郝沁汾

▲部分集成電路互連技術(shù)種類(lèi)示意圖

2021年1月，臺積電總裁魏哲家在財報會(huì )議上透露：“對于包括SoIC、CoWoS等先進(jìn)封裝技術(shù)，我們觀(guān)察到chiplet正成為一種行業(yè)趨勢。臺積電正與幾位客戶(hù)一起，使用chiplet架構進(jìn)行3D封裝研發(fā)?！?/span>能讓昔日在某些領(lǐng)域互為競爭對手的巨頭們此刻手挽手，足見(jiàn)chiplet的發(fā)展潛力不容小覷。為什么chiplet勢頭漸盛？這與摩爾定律的放緩有密切關(guān)聯(lián)。按照摩爾定律，單靠芯片制造商工藝技術(shù)的迭代，每18個(gè)月，芯片性能就可以提升一倍。但近些年，由于摩爾定律放緩，3nm、2nm之后再如何往下走尚未可知，先進(jìn)制程演進(jìn)即將停滯。繼續提升晶體管密度即便在技術(shù)上可行，也會(huì )帶來(lái)巨額成本。當靠工藝提升性能遭逢瓶頸，單芯片設計的技術(shù)路線(xiàn)很難繼續走下去，向基于chiplet的芯片設計技術(shù)轉型，已經(jīng)是許多芯片產(chǎn)業(yè)鏈頭部玩家的共識。

▲隨著(zhù)先進(jìn)制程演進(jìn)，芯片設計成本飆升

相比單芯片設計，基于chiplet設計的芯片，可以進(jìn)一步提升良率，降低成本，同時(shí)性能更強。一顆芯片上有不同功能的模塊組件，如果全用最先進(jìn)的技術(shù)節點(diǎn)來(lái)制造，成本會(huì )非常高。而多顆小芯片封裝在一起，通過(guò)讓不同功能的芯片模塊分別選用合適的制程工藝，不僅可在技術(shù)方面實(shí)現各功能的最優(yōu)化，合理利用先進(jìn)工藝提升那些能夠獲益的芯片內容，也能進(jìn)一步節約生產(chǎn)成本，提升所設計芯片的總體性?xún)r(jià)比。除此之外，芯片面積越大，良品率越低。比如150mm2芯片的良品率有80%，到700mm2已經(jīng)低至30%。Chiplet采用多顆小芯片組合的思路，以更小的裸片提升總體良率，可以帶來(lái)更高的硅利用率和產(chǎn)能。因此，芯片業(yè)已經(jīng)不再只關(guān)注單裸片芯片，而是開(kāi)始將多個(gè)裸片組成的單個(gè)芯片集成到系統中，并有越來(lái)越多的芯片公司投入相關(guān)研發(fā)。但隨著(zhù)基于chiplet的芯片品類(lèi)逐漸多樣，缺乏標準的問(wèn)題逐漸變得棘手。
02.不僅要建立標準還必須建立國內原生標準

傳統芯片設計階段涉及的各種IP都有標準，所以廠(chǎng)商無(wú)需擔心用起來(lái)無(wú)所依。但chiplet這個(gè)新興技術(shù)領(lǐng)域中，可能會(huì )涉及到多家同時(shí)在做各種功能芯片的各類(lèi)設計、互連、接口，如果沒(méi)有統一的標準，市場(chǎng)和生態(tài)是做不大的。于是英特爾振臂一揮，一呼百應，把芯片圈最有話(huà)語(yǔ)權的代工商、封測商、芯片設計龍頭、云計算巨頭聚到一起。

▲UCIe聯(lián)盟首批成員名單

在郝沁汾看來(lái)，英特爾牽頭這些標準的核心動(dòng)力，是維護和豐富其生態(tài)系統的完整性。UCIe標準明確提出支持CXL和PCIe協(xié)議，而這兩個(gè)互連協(xié)議均由英特爾提出和創(chuàng )建。例如，PCIe是x86系統主要的IO總線(xiàn)標準，所有IO設備必須支持PCIe才能和X86 CPU相連。由于目前很多加速器芯片的計算能力，已經(jīng)可以和主CPU相提并論，因此CXL在IO模式基礎上，又新增了CXL.mem和CXL.cache的模式，以適應技術(shù)形勢的發(fā)展。值得注意的是，UCIe聯(lián)盟的初始成員名單中，沒(méi)有蘋(píng)果、英偉達等芯片圈知名“狠角色”，也完全沒(méi)有中國大陸廠(chǎng)商的身影。英偉達可能是因為其業(yè)務(wù)高毛利，對成本不敏感，暫時(shí)對chiplet這種設計方式不太感興趣，再加上英偉達有自己的片間互連協(xié)議NVLink，與英特爾對數據中心場(chǎng)景的一些期望不一致，因此支持UCIe與否不是必須為之。而蘋(píng)果上周最新發(fā)布的電腦芯片M1 Ultra，已是在chiplet方向上的一次成功嘗試。至于面向國內芯片企業(yè)，有一個(gè)問(wèn)題值得商榷：UCIe標準的“開(kāi)放”，究竟是何種程度的開(kāi)放？

▲UCIe的介紹是一個(gè)開(kāi)放的行業(yè)標準互連

“我們認為的開(kāi)放，應該是從標準的協(xié)議到參考實(shí)現都是開(kāi)放的，但是我們看到英特爾所標榜的這些標準，從PCIe到CXL、AIB和UCIe，實(shí)現參考設計所需要的技術(shù)細節，你都在標準協(xié)議中找不到的?！?/span>郝沁汾曾向另一家更早開(kāi)展chiplet互連標準制定的美國組織ODSA寫(xiě)郵件詢(xún)問(wèn)，還托以前的同事去交流，結果對方明確告知，該標準中很多涉及實(shí)現的技術(shù)細節是不能對中國開(kāi)放的。這與美國政府的“視同出口”規定有關(guān)，美國企業(yè)假如沒(méi)有申請出口許可就將技術(shù)輸向海外，哪怕只是在標準會(huì )議中的技術(shù)探討，都屬于違規。因此，在中美關(guān)系仍較為緊張的情況下，美國技術(shù)聯(lián)盟如果貿然將大陸廠(chǎng)商拉進(jìn)去，會(huì )承擔法規方面的風(fēng)險。“標準有國界”的警鐘三年前就敲響過(guò)。2019年5月，美國商務(wù)部宣布將華為列入實(shí)體清單，隨后PCIe組織PCI-SIG曾短暫地停掉華為的會(huì )員資格。再結合近期的俄烏戰事，可以看到科技已經(jīng)“武器化”，假如哪天美國政府再次升級技術(shù)出口管制措施，依賴(lài)國際標準的國內企業(yè)可能要吃些苦頭。在芯謀研究分析師張先揚看來(lái)，UCIe的出現，代表著(zhù)全球半導體產(chǎn)業(yè)已經(jīng)進(jìn)入到成熟的產(chǎn)業(yè)階段。但UCIe是否具有持續的市場(chǎng)前景，主要看未來(lái)chiplet與高度集成的單片芯片是否會(huì )形成差異化的市場(chǎng)結構，這一點(diǎn)很像大家在討論的ASIC和FPGA誰(shuí)是最終歸屬的問(wèn)題。此外，UCIe產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟成員基本可形成一個(gè)小的產(chǎn)業(yè)生態(tài)閉環(huán)，這將進(jìn)一步提高各產(chǎn)業(yè)環(huán)節的集中度，并鞏固了龍頭優(yōu)勢，是否會(huì )真正利好半導體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也是存疑的。“尤其需要注意到英特爾在美國半導體產(chǎn)業(yè)中扮演的敏感角色，在此特定背景下，我們不希望看到UCIe會(huì )成為政治化的工具?！彼嬖V芯東西。張先揚認為，國內方面，我們要繼續走好自己的路，在加速?lài)a(chǎn)化替代的同時(shí)，做好應對一切沖擊的準備，UCIe提供了一種可參考的產(chǎn)業(yè)平臺機制，我們亦可以通過(guò)組建內部產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的方式來(lái)優(yōu)化產(chǎn)業(yè)分工，進(jìn)一步加快國內產(chǎn)業(yè)發(fā)展，提高國內半導體產(chǎn)業(yè)對于沖擊的耐受力。這也是郝沁汾決定另起爐灶，在國內構建一套原生chiplet標準的初衷。
03.國內外chiplet標準有何異同？

2021年5月，中國計算機互連技術(shù)聯(lián)盟（CCITA）在中電標協(xié)立項了chiplet標準，即《小芯片接口總線(xiàn)技術(shù)要求》，由中科院計算所、工信部電子四院和國內多個(gè)芯片廠(chǎng)商合作展開(kāi)標準制定工作。目前，該標準的第一版草案已經(jīng)完成，按照流程即將于第一季度在中國電子技術(shù)標準化協(xié)會(huì )網(wǎng)站上掛網(wǎng)征求意見(jiàn)。值得注意的是，UCIe第一版在2022年1月份發(fā)布，也就意味著(zhù)它與國內chiplet標準開(kāi)始制訂的時(shí)間大致相近。為什么UCIe不能幫助我們國家的芯片企業(yè)解決關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題？要回答這個(gè)問(wèn)題，需從協(xié)議本身來(lái)看。UCIe支持標準封裝、先進(jìn)封裝，其中標準封裝屬于入門(mén)級，只能用在不追求高性能的芯片中，而它列出的英特爾EMIB、臺積電CoWoS、日月光FoCoS-B三種先進(jìn)封裝方式，大陸工廠(chǎng)目前都不支持。

▲UCIe支持的封裝方式

在郝沁汾看來(lái)，先進(jìn)制程停滯背景下，chiplet面臨著(zhù)很好的機會(huì )，但我國面臨的最現實(shí)問(wèn)題，不是先進(jìn)制程停滯，而是先進(jìn)制程被禁運了怎么辦？戰略風(fēng)險在于，倘若UCIe支持的三種先進(jìn)封裝技術(shù)被禁運，大陸廠(chǎng)商想用UCIe協(xié)議，只能采用標準封裝的方式。而采用標準封裝方式的chiplet間互連帶寬，僅有采用先進(jìn)封裝帶寬的1/6，性能大幅縮水。在標準組成上，UCIe主要由D2D適配層、物理層（含封裝）組成，圖中虛線(xiàn)以上是既有協(xié)議，CXL或PCIe。我國的《小芯片接口總線(xiàn)技術(shù)要求》也有類(lèi)似的組成，由鏈路適配層、物理層及封裝組成。

▲UCIe分層協(xié)議的組成

兩個(gè)標準的關(guān)鍵區別之一在于，UCIe在D2D組成的芯片中，加入了一種叫retimer的功能芯片定義，它負責把信號由并行轉成串行，然后以更高速度傳送到較遠的地方。郝沁汾談道，這個(gè)目的主要是為了實(shí)現英特爾自身在數據中心中CPU和內存解耦、資源池化方案。國內《小芯片接口總線(xiàn)技術(shù)要求》則不包括這部分內容，而是一個(gè)純粹的D2D互連標準。郝沁汾認為，我國的標準更加符合國情。比如在物理層，國內chiplet標準同時(shí)支持單端信號和差分信號，單端的信號是一根線(xiàn)，差分信號是一對線(xiàn)，可以把信號傳的更遠一點(diǎn)。通過(guò)chiplet將兩個(gè)芯片互連，只要支持差分信號，就能使國內某些加速器芯片廠(chǎng)商實(shí)現將相同的芯片通過(guò)差分信號接口相連，以拓展總體性能的目的。這種先用成熟工藝做出小芯片、再用先進(jìn)封裝技術(shù)把它們拼在一起的方式更加廉價(jià)經(jīng)濟，可替代采用7nm、5nm先進(jìn)制程工藝生產(chǎn)芯片的昂貴方案。上周蘋(píng)果最新推出的最強電腦芯片M1 Ultra，其實(shí)現方式與國內的chiplet標準更為類(lèi)似。而UCIe只支持通過(guò)單端信號實(shí)現D2D互連，與國內廠(chǎng)商的現階段訴求不一致，實(shí)用性欠佳。郝沁汾告訴芯東西，國內chiplet標準既支持像臺積電CoWoS等先進(jìn)封裝方式，也支持國內先進(jìn)封裝方法的最新積累，這樣國內企業(yè)萬(wàn)一被施加技術(shù)限制，至少還有個(gè)備用方案，而不至于措手不及。
04.chiplet是我國必須抓住的技術(shù)機會(huì )

“我們認為，集成電路互連技術(shù)現階段對我們國家的價(jià)值，主要是解決我們完全無(wú)法使用先進(jìn)制程的問(wèn)題，如采用28nm的芯片，通過(guò)chiplet的方式，使其性能和功能接近16甚至7nm工藝的芯片性能?！?span style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important;">據郝沁汾分享，以先進(jìn)制程節點(diǎn)演變?yōu)樘攸c(diǎn)的傳統集成電路工業(yè)，是物理化學(xué)學(xué)科的高度發(fā)展結晶，產(chǎn)業(yè)鏈條又大部分分布在美國、歐洲、日本，很難一下子在幾年內就縮短距離。倘若先進(jìn)制程技術(shù)的供應受阻，國內廠(chǎng)商可以借助集成電路互連技術(shù)，繞道達成性能目標——通過(guò)集成電路互連技術(shù)把采用成熟工藝制程的芯片連接在一起，在先進(jìn)封裝技術(shù)的支持下，實(shí)現或接近實(shí)現一個(gè)需要采用先進(jìn)制程做出的芯片性能，就有可能走出一條繞過(guò)技術(shù)封鎖的新路徑。他談道，雖說(shuō)芯片功耗可能會(huì )相對較高，但畢竟“天下沒(méi)有免費的午餐”，這種技術(shù)手段至少使我們能越過(guò)先進(jìn)制程被禁的問(wèn)題，因此，chiplet是我國面臨的一個(gè)絕佳技術(shù)機會(huì )，一定要抓住。“在現有的形勢下，我們必須打造我國原生的技術(shù)標準，在特殊情況發(fā)生的時(shí)候以備不測。同時(shí)我們也要保持開(kāi)放的心態(tài)?！焙虑叻谡f(shuō)，“對一切能夠幫助我們提升標準的技術(shù)含量和質(zhì)量的組織和個(gè)人，我們都持歡迎的態(tài)度?！?/span>他提到中國從來(lái)沒(méi)有排斥過(guò)西方標準，然而從事實(shí)來(lái)看，UCIe對大陸廠(chǎng)商不能算作“友好”，由美國企業(yè)主導的“開(kāi)放生態(tài)聯(lián)盟“可以實(shí)現西方意識形態(tài)范圍之內的開(kāi)放，但是對中國而言，盲目相信美國企業(yè)的開(kāi)放，是非常危險的一件事情。需明確的是，chiplet不是一種誰(shuí)都能做的芯片，也不是所有類(lèi)型的芯片都能從這一技術(shù)方向受益。張先揚告訴芯東西，chiplet目前主要針對一些超貴的芯片，其主要優(yōu)勢是產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期短、成本相對低，但要投入這一技術(shù)，存在前期開(kāi)發(fā)投入大、成本優(yōu)化有限等問(wèn)題。從產(chǎn)業(yè)角度來(lái)看，目前只有具有強大設計能力的公司可以做chiplet。加入國內chiplet標準聯(lián)盟也并非零門(mén)檻?！拔覀兊囊笫?，或者是chiplet的技術(shù)組件供應者，或者是用戶(hù)，除此之外，并沒(méi)有其他的門(mén)檻，我們希望大家能多貢獻?！焙虑叻谡f(shuō)。他談道，目前，制訂標準的難度主要在于，一方面需要十分有經(jīng)驗的技術(shù)專(zhuān)家，但國內相應的人才仍很欠缺；另一方面，由于歷史原因，在國內，制訂chiplet標準所需的IP成員依然十分匱乏，比如能夠做物理層技術(shù)的公司只有幾家，遠遠不夠。同時(shí)，郝沁汾告訴我們，國內標準工作組計劃在今年年中啟動(dòng)圍繞標準的技術(shù)驗證工作，組織參與企業(yè)共同完成技術(shù)驗證，做一個(gè)能真正落地的標準，其中部分經(jīng)費由無(wú)錫芯光互連技術(shù)研究院提供。即將進(jìn)入征求意見(jiàn)階段的標準草案，預計將于今年第二季度完成技術(shù)驗證的計劃制訂，年底前完成技術(shù)驗證，并完成標準文本的確定，進(jìn)行標準第一個(gè)版本的發(fā)布工作，首個(gè)版本發(fā)布即可用。郝沁汾還透露，下一步，他們將圍繞技術(shù)標準，開(kāi)發(fā)相應的參考設計，并孵化相應的企業(yè)，以推動(dòng)我國集成電路行業(yè)圍繞集成電路互連技術(shù)形成更加廣泛的社會(huì )分工。
05.結語(yǔ)：路漫漫其修遠兮

國內《小芯片接口總線(xiàn)技術(shù)要求》標準制定工作的開(kāi)展，是我國在探索新一代芯片技術(shù)發(fā)展道路上的重要嘗試，尤其在地緣紛爭頻發(fā)的國際背景下，這一嘗試頗具戰略意義。談及更長(cháng)遠的目標，郝沁汾希望能在3-5年之內，首先使中國計算機互連技術(shù)聯(lián)盟內部的芯片設計成員能夠使用這個(gè)標準。“但是做到像PCIe、CXL這樣的普及程度，還需要更長(cháng)時(shí)間，也需要國內企業(yè)的支持?！彼岬揭粋€(gè)客觀(guān)難點(diǎn)，盡管很多國內企業(yè)已經(jīng)意識到chiplet標準很重要，但對于一些仍處在求生存階段的芯片廠(chǎng)商來(lái)而言，這個(gè)標準并不能幫它們解決眼前的生存問(wèn)題。“從土壤看，國內比以前強了很多，比理想的目標還有距離。但是我覺(jué)得，不放棄，一直做下去，還是會(huì )有一些成效的?！焙虑叻谡f(shuō)。

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