大型芯片迅速崛起，微芯片被“拋棄”！

來(lái)源：半導體行業(yè)觀(guān)察

如果微芯片是城市，那么讓它們變得更好的全行業(yè)新戰略可以用一個(gè)詞來(lái)概括——蔓延（sprawl）。在某些情況下，我們最強大的設備中的芯片占用了如此多的空間，以至于它們幾乎不再被稱(chēng)為“微型”。

工程師實(shí)現這一目標的一種方法是將微芯片堆疊在一起。這就像urban infill，只是不再建造高聳的新公寓樓，而是計算機內部通常扁平的硅片正在變成多層，把內存、電源管理和圖形等功能的電路堆疊在一起。

推動(dòng)芯片設計這一趨勢的原因是一個(gè)簡(jiǎn)單的現實(shí)：繼續使芯片更快、我們的設備更強大的壓力是無(wú)情的，而芯片行業(yè)通過(guò)縮小晶體管以維持更高性能來(lái)跟上步伐的能力正在遇到技術(shù)障礙。

因此，半導體工程師通過(guò)將芯片更緊密地結合在一起來(lái)提高性能。正在出現的是位于我們電子世界核心的微型硅城。在某些情況下，這些蝕刻的晶體組合變得如此之大，以至于它們達到了芯片中罕見(jiàn)的物理尺寸。

目前，大多數芯片的大小約為一角硬幣或四分之一，但有些芯片現在已增長(cháng)到接近****牌的大小，或者在某種情況下，甚至是餐盤(pán)大小。

Apple 的 M1 Ultra 芯片在其 Mac Studio 計算機中使用，由 1140 億個(gè)晶體管組成。

這些巨型芯片不僅出現在世界上最強大的超級計算機中，而且出現在家用設備中。微軟的 Xbox 視頻游戲機和索尼蘋(píng)果的 PlayStation 5 使用了一些由 Advanced Micro Devices 設計的打新。使用在蘋(píng)果 Mac Studio 計算機中 的M1 Ultra 芯片也采用了這種設計方法，用于超級計算機和數據中心的英特爾 Ponte Vecchio 處理器核心同樣是個(gè)大芯片。

但是，當涉及到管理在密集電路中執行的所有計算所產(chǎn)生的額外熱量時(shí)，這些巨型芯片會(huì )給工程師帶來(lái)挑戰。盡管它們可以更節能，但它們的龐大尺寸意味著(zhù)它們有時(shí)最終也會(huì )消耗大量電力。例如，英特爾的 Ponte Vecchio 芯片在每次計算的基礎上都很高效，但功耗為 600 瓦，幾乎足以運行吹風(fēng)機。如果您想知道為什么您的移動(dòng)設備中還沒(méi)有大型芯片，這就是您的答案。

從某些方面來(lái)看，巨型芯片只是延續摩爾定律趨勢的一種方式——英特爾創(chuàng )始人戈登·摩爾（Gordon Moore）觀(guān)察到，每?jì)赡曜笥?，消費者可以預期每美元的晶體管數量會(huì )增加兩倍，因此計算能力也會(huì )增加一倍。這條經(jīng)驗法則之前已經(jīng)宣布結束，但芯片只會(huì )越來(lái)越好。超級芯片只是業(yè)界最新的創(chuàng )新，可兌現更高性能的承諾。

荷蘭公司 ASML 基本上壟斷了制造世界上最先進(jìn)的芯片所必需的工具，以及最小的晶體管。然而，即使它說(shuō)要保持摩爾定律的發(fā)展，僅僅使芯片上的功能更小是不夠的。在2021 年 9 月向投資者的介紹中，它談到了“系統擴展”（system scaling）的想法。ASML 的一位發(fā)言人證實(shí)，該公司認為系統擴展是對 ASML 為縮小微芯片特性所做的工作的補充。

用城市的比喻來(lái)說(shuō)，如果一個(gè)城市不能縮小其住房單元的規?；蛱岣咂浣煌ㄐ?，它就別無(wú)選擇，只能向上向外擴張——就像新加坡島的土地面積在過(guò)去50 年中幾乎增長(cháng)了四分之一。

在眾多中的一個(gè)

制造巨型芯片并非易事，部分原因是這樣做意味著(zhù)以納米級精度將每個(gè)芯片組件操縱到位，并且在沒(méi)有微型焊槍的情況下將它們連接起來(lái)。

現在這在很大程度上是可能的，因為最近在一個(gè)長(cháng)期以來(lái)被芯片行業(yè)忽視的領(lǐng)域進(jìn)行了創(chuàng )新。該領(lǐng)域是“封裝”。這通常是微芯片制造后的一個(gè)模糊步驟，當它連接到細線(xiàn)并用塑料包裹，然后放置在電路板上，也用電線(xiàn)覆蓋，將其連接到設備的其余部分。

在傳統設備中，接收和傳輸無(wú)線(xiàn)電波（例如，通過(guò) Wi-Fi 進(jìn)行通信）的芯片可能會(huì )連接到另一個(gè)進(jìn)行通用計算的芯片，它們之間的連接實(shí)際上就是所謂的“總線(xiàn)”。但就像它在現實(shí)世界中的等價(jià)物一樣，這種公共汽車(chē)并不是在這些相鄰的硅城市之間運輸任何東西的快速方式。新的巨型芯片封裝反而將這兩個(gè)芯片——可能還有更多——直接連接起來(lái)。結果更像是把所有這些芯片放在一個(gè)屋檐下，在一棟高層建筑中。

IBM前封裝開(kāi)發(fā)總監 Subramanian Iyer 表示，傳統的微芯片必須將其近三分之一的面積（以及同樣多的功耗）用于將芯片計算結果傳達給設備其余部分的電路。堆疊芯片使它們之間的通信更快，因為它允許它們之間的更多連接，就像在摩天大樓的樓層之間乘電梯旅行比一直穿過(guò)建筑物到達最近的鄰居更快一樣。

美光的232層閃存

這種東西長(cháng)期以來(lái)一直是內存芯片的標準——總部位于愛(ài)達荷州博伊西的美光科技剛剛推出了一款 232 層的內存芯片，如果它是一座建筑物，在拉斯維加斯大道上也不會(huì )顯得格格不入——但僅適用于其他類(lèi)型的微芯片。

制造巨型芯片和芯片堆疊的基本組成部分是一種新型微芯片，稱(chēng)為“chiplet”。它取消了一些舊式電路，可以更直接地與其他chiplet通信。通過(guò)創(chuàng )建許多短而直接的連接——通常由芯片本身所用的同一硅制成，而不是銅或其他金屬——這些chiplet可以與其他chiplet融合形成巨型芯片。

伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校的電氣工程教授 Rakesh Kumar 說(shuō)，共同構成一個(gè)巨型芯片的不同chiplet之間的直接通信使它們能夠像一個(gè)巨大的微處理器一樣運行。

一個(gè)極端的例子是英特爾最近發(fā)布的 Ponte Vecchio 圖形處理器。每個(gè)都由 63 個(gè)不同的chiplet組成。這些chiplet相互堆疊并擠在一起，總面積為 3,100 平方毫米，包括 1000 億個(gè)晶體管。相比之下，筆記本電腦核心的典型芯片尺寸不到 150 平方毫米，大約是其大小的 1/20，并且有大約 15 億個(gè)晶體管——數量的 1.5%。

使用堆疊chiplet顯然是英特爾處理器的未來(lái)——其大部分已經(jīng)發(fā)布但尚未發(fā)貨的服務(wù)器、臺式機和筆記本電腦處理器都是采用這種技術(shù)構建的。英特爾高級研究員 Das Sharma 表示，以這種方式做事“提供了一種全新的芯片制造方法，比傳統方法更快、更具成本效益”。

他指出，堆疊chiplet還允許英特爾提高其下一代臺式機和服務(wù)器芯片的性能，而不會(huì )增加其（二維）占用空間或總功耗。這可能看起來(lái)有悖常理，但它有助于理解芯片使用的功率量是設計決策，而節省功率是行業(yè)的最高優(yōu)先事項之一。堆疊的chiplet可以讓工程師通過(guò)節省芯片不同部分進(jìn)行通信所需的時(shí)間和能源，從現有設計中獲得更多收益。但是，當性能是優(yōu)先考慮的事項時(shí)，chiplet也可用于使微芯片更大——更耗電。

AMD 是當前chiplet技術(shù)時(shí)代的先驅?zhuān)呀?jīng)提供了內置少量chiplet的處理器。該公司發(fā)現，只需在其 CPU（計算機中進(jìn)行大量非圖形計算的芯片）上堆疊一個(gè)內存芯片，就能夠顯著(zhù)提高其系統的速度。

群星閃耀的時(shí)代

Ansys的產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)總監 Marc Swinnen 表示，雖然目前基于chiplet的巨型芯片數量可能很少，而且只出現在最強大的系統中，但制造它們的趨勢正在加速。廣泛應用于微芯片設計行業(yè)。（Ansys 的大多數客戶(hù)都喜歡保持匿名，但其中包括三星。）

該公司發(fā)言人表示，自 2019 年以來(lái)，Ansys 客戶(hù)涉及堆疊chiplet的項目數量增加了 20 倍，當時(shí)它還處于低個(gè)位數。（從角度來(lái)看，世界上任何時(shí)候正在進(jìn)行的此類(lèi)芯片設計項目的總數估計有數百個(gè)。）

3 月，一個(gè)名為 Universal Chiplet Interconnect Express (UCIe) 的行業(yè)聯(lián)盟宣布，英特爾和 AMD——通常是死對頭——都是這個(gè)最新標準組織的會(huì )員。該標準旨在使任何遵循它的人都可以創(chuàng )建可以與其他制造商制造的芯片連接的芯片。該聯(lián)盟的成員還包括Arm、臺積電、三星等微芯片設計和制造巨頭。

為chiplet創(chuàng )建標準連接方式的希望是，在未來(lái)，任何公司都可以從任何其他公司購買(mǎi)chiplet，然后將它們組裝成他們特定用途所需的任何科學(xué)怪人的芯片怪物，聯(lián)盟主席 Debendra Das Sharma、英特爾高級研究員說(shuō)，在UCIe，讓我們回到城市的比喻上，想象一下，如果你能把紐約、里約和東京最好的地方，然后將它們拼湊成一個(gè)適合你特定口味的夢(mèng)想城市，這是一個(gè)多不可思議的事情。

當然，要完成這項工作需要讓很多不同的公司參與進(jìn)來(lái)。Sharma 博士說(shuō)，UCIe 標準的性質(zhì)和加入該組織的大名鼎鼎的名字足以證明它會(huì )成功。

但伊利諾伊大學(xué)的Kumar博士不太確定?！霸谝粋€(gè)如此殘酷的行業(yè)中，對任何事物進(jìn)行標準化都是一項挑戰，因為必須做出妥協(xié)，而且并不是每個(gè)人都有動(dòng)力表現得很好，”他說(shuō)。

整個(gè)行業(yè)對這項技術(shù)產(chǎn)生興趣的一個(gè)主要驅動(dòng)力是越來(lái)越多的公司（包括亞馬遜、谷歌、微軟、特斯拉等）希望創(chuàng )建自己的、功能更強大的微芯片來(lái)運行從云服務(wù)和智能手機等各種服務(wù)。，到游戲機和車(chē)輛。

“現在有大公司的整個(gè)部門(mén)，他們的商業(yè)主張都取決于他們的硅質(zhì)量，”Swinnen先生說(shuō)。

加州大學(xué)洛杉磯分校的 Iyer 博士說(shuō)，還推動(dòng)人們對巨型芯片產(chǎn)生興趣的是人工智能和機器學(xué)習系統對現有硬件的貪婪需求。雖然有些人通過(guò)以老式方式制造真正巨大的微芯片來(lái)滿(mǎn)足這一需求——一家名為 Cerebras的初創(chuàng )公司制造了一種芯片，該芯片占據了通常蝕刻數十個(gè)微芯片的硅晶片的整個(gè)表面——其他人，包括 Dr. Iyer 的團隊正在研究由chiplet組成的專(zhuān)注于人工智能的巨型芯片。

從超級計算機到可穿戴設備

對巨型芯片的熱情表明，它們有朝一日可能會(huì )超越目前在性能高于功耗或電池壽命的設備中的使用。

Kumar 博士說(shuō)，就像一座通過(guò)快速交通系統與郊區相連的城市一樣，未來(lái)的chiplet可以通過(guò)更遠的距離和新穎的方式相互連接。

從表面上看，這沒(méi)有什么意義，因為將芯片移得更遠會(huì )增加它們通信所需的時(shí)間。但它至少產(chǎn)生了一個(gè)意想不到的好處。與柔性電路連接的較chiplet可用于構建柔性計算機。它甚至可以誕生全新類(lèi)型的設備。

例如，Kumar 博士的團隊已經(jīng)進(jìn)行的實(shí)驗表明，chiplet可以與柔性電路連接在一起，形成可穿戴系統，或者可以包裹在飛機機翼等表面的系統。Iyer 博士說(shuō)，他的團隊正在努力創(chuàng )建靈活手機所需的所有構建模塊。

盡管巨型芯片面臨挑戰，但將當今的微芯片分解成更小的chiplet，這些chiplet可以重新組裝成更大、更強大的計算 Voltron 的努力正在獲得動(dòng)力。事實(shí)上，沒(méi)有它，摩爾定律——微芯片的不斷改進(jìn)——就無(wú)法繼續。

簡(jiǎn)而言之：芯片蔓延才剛剛開(kāi)始。