2023年是向多芯片系統(tǒng)發(fā)生巨變的一年。

現(xiàn)在似乎每個(gè)人都在談?wù)摱嘈酒到y(tǒng)，半導(dǎo)體行業(yè)不僅在談?wù)撍鼈儭嘈酒到y(tǒng)已經(jīng)上市。隨著計(jì)算需求的激增和摩爾定律的減弱，將多個(gè)異構(gòu)裸片或小芯片集成到同一封裝中的系統(tǒng)提供了一種方法來(lái)滿足苛刻的功率、性能、面積 （PPA）、成本和上市時(shí)間要求。多芯片系統(tǒng)使設(shè)計(jì)人員能夠以具有成本效益的價(jià)格加速系統(tǒng)功能的擴(kuò)展、降低風(fēng)險(xiǎn)并快速創(chuàng)建新產(chǎn)品變體以實(shí)現(xiàn)靈活的產(chǎn)品組合管理。但是，雖然多芯片系統(tǒng)早在一兩年前就已經(jīng)提出，它其實(shí)一直有緩慢的進(jìn)展。

到目前為止。隨著多芯片系統(tǒng)開始更深入地進(jìn)入主流半導(dǎo)體世界，即將到來(lái)的 2023 年似乎是一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。為什么我們認(rèn)為 2023 年是向多芯片系統(tǒng)發(fā)生巨變的一年？最大的變化是圍繞這些架構(gòu)的更廣泛的生態(tài)系統(tǒng)正在成熟，為成本效益和成功提供了更大的機(jī)會(huì)。對(duì)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證工具、IP 和制造的投資正在融合，以幫助克服以前的障礙，為采用多芯片系統(tǒng)鋪平道路。

更智能的產(chǎn)品對(duì)芯片的要求更高

每一代人的智能手機(jī)都變得越來(lái)越智能。AI 算法和大數(shù)據(jù)聯(lián)手產(chǎn)生了洞察力，推動(dòng)了從疫苗發(fā)現(xiàn)到氣候變化等重大挑戰(zhàn)的進(jìn)一步進(jìn)展。先進(jìn)的機(jī)器人技術(shù)現(xiàn)在可以生產(chǎn)商品或進(jìn)行手術(shù)。我們的設(shè)備和系統(tǒng)的智能水平正在迅速提高，隨之而來(lái)的是對(duì)更多功能、更高帶寬、更好性能和更低功耗的更大需求——通常是在相同或更小的封裝內(nèi)。摩爾定律自成立以來(lái)一直是堅(jiān)定不移的，每?jī)赡暧?jì)算性能翻一番，同時(shí)降低整體功耗。然而，在我們當(dāng)前的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)時(shí)代，性能需要以更快的速度擴(kuò)展才能跟上步伐。處理、內(nèi)存、帶寬——它們都與單片 SoC 相撞。此外，我們正在快速接近制造的光罩極限，屆時(shí)密度縮放將隨著成本上升而大幅放緩。這就是多芯片系統(tǒng)大放異彩的地方，為激發(fā)持續(xù)創(chuàng)新提供了一條新途徑。

多芯片系統(tǒng)——集成的異構(gòu)小芯片——可以擁有數(shù)萬(wàn)億個(gè)晶體管。它們提供了靈活性，可以根據(jù)特定工藝技術(shù)的獨(dú)特要求以及整體系統(tǒng)性能和成本目標(biāo)，為特定功能指定芯片。從 2023 年開始，多芯片系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開始預(yù)計(jì)在未來(lái)幾年內(nèi)將顯著增長(zhǎng)。在不久的將來(lái)，這種架構(gòu)的最大采用者可能是高性能計(jì)算 （HPC） 和超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心中的那些人考慮到計(jì)算密集型工作負(fù)載。移動(dòng)領(lǐng)域的芯片設(shè)計(jì)人員也在進(jìn)行多芯片系統(tǒng)設(shè)計(jì)，利用 PPA 的優(yōu)勢(shì)為其空間受限的設(shè)備設(shè)計(jì)。

考慮到多芯片的多種形式，一些移動(dòng)制造商正在利用先進(jìn)封裝來(lái)提高芯片密度。汽車芯片設(shè)計(jì)人員也在采用多芯片系統(tǒng)（例如用于 AI 模型訓(xùn)練的 Tesla D1），我們看到該行業(yè)越來(lái)越多的芯片制造商對(duì)此感興趣。難怪——通過(guò)針對(duì)不同的專業(yè)功能使用不同的芯片，汽車子系統(tǒng)可以更好地滿足總體 PPA 和成本要求?，F(xiàn)實(shí)情況是，考慮到多芯片系統(tǒng)的成本、功能集成和擴(kuò)展優(yōu)勢(shì)，它們正在所有應(yīng)用領(lǐng)域中推廣。因此，問(wèn)題不在于不同行業(yè)是否會(huì)以這種方式移動(dòng)，而是何時(shí)。所有跡象都表明 2023 年將是大規(guī)模采用的起點(diǎn)。

成熟的多芯片系統(tǒng)生態(tài)系統(tǒng)

圍繞多芯片系統(tǒng)的生態(tài)系統(tǒng)正在迅速成熟，這對(duì)于實(shí)現(xiàn)更廣泛的采用至關(guān)重要。雖然AMD、亞馬遜網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、蘋果和英特爾等芯片制造商已經(jīng)在市場(chǎng)上推出了此類設(shè)計(jì)，但該行業(yè)的其他主要參與者正在大舉進(jìn)軍。一個(gè)重要的驅(qū)動(dòng)因素是工具支持。雖然需要手動(dòng)分析的專有工具和腳本已經(jīng)很普遍，但現(xiàn)在更廣泛的整體、統(tǒng)一和成熟的工具有助于簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)、驗(yàn)證、測(cè)試、簽核和硅生命周期管理功能，向用戶隱藏深層的復(fù)雜性。

用于穩(wěn)健和安全的芯片到芯片連接的標(biāo)準(zhǔn)化 IP 現(xiàn)在也可用，以降低集成風(fēng)險(xiǎn)并加速小芯片市場(chǎng)。成熟生態(tài)系統(tǒng)的另一個(gè)標(biāo)志是代工方面的活動(dòng)。聯(lián)盟、流程和先進(jìn)的封裝技術(shù)可用于支持多芯片系統(tǒng)。外包半導(dǎo)體組裝和測(cè)試 （OSAT） 供應(yīng)商是制造供應(yīng)鏈中的其他參與者，提供多芯片封裝所需的技術(shù)。事實(shí)上，封裝領(lǐng)域的進(jìn)步正在促進(jìn)多芯片系統(tǒng)的增長(zhǎng)。最值得注意的是，硅中介層、再分布層 （RDL） 和 3D 堆疊先進(jìn)封裝實(shí)現(xiàn)了重大突破，實(shí)現(xiàn)了高集成密度并提高了電源效率和性能。在標(biāo)準(zhǔn)方面，Universal Chiplet Interconnect Express （UCIe） 規(guī)范被證明是一個(gè)關(guān)鍵的推動(dòng)因素，并且由于各種原因正在成為 die-to-die 連接的首選標(biāo)準(zhǔn)：

該規(guī)范目前支持 2D、2.5D 和橋包，預(yù)計(jì)將支持 3D 包。

它是唯一具有完整芯片到芯片接口堆棧的標(biāo)準(zhǔn)。

它支持每個(gè)引腳高達(dá) 32 Gbps 的帶寬——足以滿足當(dāng)今和未來(lái)的應(yīng)用。

另一種正在取得長(zhǎng)足發(fā)展的技術(shù)是硅光子學(xué)，它利用光的力量來(lái)傳輸和處理數(shù)據(jù)，并在異構(gòu)多芯片封裝中占有一席之地。通過(guò)提供高能效的帶寬擴(kuò)展，集成到多芯片系統(tǒng)中的光子 IC 為解決日益增加的功率和數(shù)據(jù)量挑戰(zhàn)提供了答案。OpenLight是一家由Synopsys和Juniper Networks組成的公司，它提供了一個(gè)開放的硅光子學(xué)平臺(tái)，集成了激光器，簡(jiǎn)化了將硅光子學(xué)集成到芯片設(shè)計(jì)中的過(guò)程。

從拐點(diǎn)到騰飛

如果 2022 年末是多芯片系統(tǒng)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，那么 2023 年將是這些架構(gòu)真正騰飛的一年。一些設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)可能會(huì)發(fā)現(xiàn)多芯片系統(tǒng)方法比向下移動(dòng)另一個(gè)節(jié)點(diǎn)更具成本效益。其他人可能希望利用 PPA、成本和上市時(shí)間優(yōu)勢(shì)。無(wú)論如何，多芯片系統(tǒng)有望成為與其中的單芯一樣的主流，從而推動(dòng)不斷改變我們生活的應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)更高水平的性能。

編輯：黃飛