來(lái)源：內(nèi)容來(lái)自半導(dǎo)體行業(yè)觀察綜合。

目前，半導(dǎo)體行業(yè)對(duì)芯片（chiplet）——一種旨在與其他芯片組合成單一封裝器件的裸硅片——的討論非常熱烈。各大公司開(kāi)始規(guī)劃基于芯片的設(shè)計(jì)，也稱為多芯片系統(tǒng)。然而，對(duì)于芯片架構(gòu)的設(shè)計(jì)需要什么、哪些技術(shù)已經(jīng)成熟可用以及哪些創(chuàng)新即將出現(xiàn)，仍然存在不確定性。

在 Chiplet 開(kāi)始廣泛應(yīng)用之前，了解該技術(shù)及其配套生態(tài)系統(tǒng)至關(guān)重要。隨著技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，Chiplet 已成為眾多應(yīng)用領(lǐng)域的有前景的解決方案，包括高性能計(jì)算、AI 加速、移動(dòng)設(shè)備和汽車系統(tǒng)。

芯粒的興起

直到最近，集成電路 (IC)、專用集成電路 (ASIC)、專用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品 (ASSP) 和片上系統(tǒng) (SoC) 器件都是單片的。這些器件構(gòu)建在一塊硅片上，然后封裝在專用封裝中。根據(jù)用途，“芯片”一詞可以指裸片本身，也可以指最終封裝的組件。

設(shè)計(jì)單片設(shè)備的成本越來(lái)越高，規(guī)?；y度也越來(lái)越大。解決方案是將設(shè)計(jì)分解成多個(gè)更小的芯片（稱為“芯?！保?，這些芯片被安裝在一個(gè)稱為基板的共用基座上。然后，所有這些芯片都被封裝在一個(gè)封裝中。最終的組裝是一個(gè)多芯片系統(tǒng)。

在此基礎(chǔ)上，以下用例將闡述如何實(shí)現(xiàn)芯片組架構(gòu)。分離 I/O 和邏輯是芯片組的一種用例，其中核心數(shù)字邏輯在尖端工藝節(jié)點(diǎn)上實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，收發(fā)器和內(nèi)存接口等 I/O 功能則轉(zhuǎn)移到基于更老、更經(jīng)濟(jì)高效的節(jié)點(diǎn)構(gòu)建的芯片組上。一些高端 SoC 和 FPGA 制造商采用這種方法，通過(guò)為每個(gè)功能選擇最佳技術(shù)，有助于優(yōu)化性能和成本。

光罩極限分區(qū)用例實(shí)現(xiàn)了超越當(dāng)前約 850 平方毫米光罩極限的設(shè)計(jì)，并將其劃分為多個(gè)芯片。例如，Nvidia 的 Blackwell B200 圖形處理單元 (GPU) 采用雙芯片組設(shè)計(jì)，每個(gè)芯片的面積約為 800 平方毫米。每秒 10 TB 的鏈路使它們能夠像單個(gè) GPU 一樣運(yùn)行。

同質(zhì)多芯片架構(gòu)將多個(gè)相同或功能相似的芯片（例如 CPU、GPU 或 NPU）集成在一個(gè)封裝中或通過(guò)“中介層”（類似于 PCB 的連接層，但密度更高，通常采用光刻技術(shù)由硅制成）集成。每個(gè)芯片執(zhí)行相同或相似的任務(wù)，并且通常采用相同的工藝技術(shù)制造。

這種方法使設(shè)計(jì)人員能夠?qū)⑿阅芎屯掏铝繑U(kuò)展到單片芯片設(shè)計(jì)的物理和經(jīng)濟(jì)限制之外，主要是因?yàn)榧s 850 平方毫米的標(biāo)線限制限制了單個(gè)芯片的尺寸，或者隨著芯片尺寸的增加而降低產(chǎn)量使得解決方案成本過(guò)高。

大多數(shù)人聽(tīng)到“Chiplet”這個(gè)詞時(shí)想到的往往是功能分解。這種架構(gòu)將設(shè)計(jì)分解為多個(gè)異構(gòu)芯片，每個(gè)芯片都以成本、功耗和性能最優(yōu)的節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)其特定功能。

例如，射頻 (RF) 芯片可能采用 28 納米工藝實(shí)現(xiàn)，模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 和數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC) 可能采用 16 納米工藝實(shí)現(xiàn)，核心數(shù)字邏輯可能采用 3 納米工藝制造。大型 SRAM 可能采用 7 納米或 5 納米工藝實(shí)現(xiàn)，因?yàn)?RAM 在更精細(xì)的幾何尺寸下尚未實(shí)現(xiàn)顯著的擴(kuò)展。

好消息

企業(yè)計(jì)劃轉(zhuǎn)型或已經(jīng)轉(zhuǎn)型到基于 Chiplet 的架構(gòu)的原因有很多，其中包括：

芯片可以構(gòu)建比單個(gè)芯片更大的設(shè)計(jì)。

更小的芯片可實(shí)現(xiàn)更高的產(chǎn)量，從而降低總體制造成本。

芯片可以混合搭配一流的處理元件，例如 CPU、GPU、NPU 和其他硬件加速器，以及封裝內(nèi)存儲(chǔ)器和外部接口和存儲(chǔ)器控制器。

多芯片系統(tǒng)可能具有同質(zhì)處理元件陣列以提供可擴(kuò)展性，或具有異構(gòu)元件集合以使用最有利的工藝實(shí)現(xiàn)每個(gè)功能。

基于模塊化芯片的架構(gòu)有助于基于平臺(tái)的設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)重用。

生態(tài)系統(tǒng)仍需發(fā)展

雖然優(yōu)勢(shì)顯而易見(jiàn)，但在基于 Chiplet 的架構(gòu)實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用之前，必須克服諸多挑戰(zhàn)。雖然 PCIe 等標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)確立，但 UCIe 和 CXL 等芯片間 (D2D) 通信標(biāo)準(zhǔn)仍在不斷涌現(xiàn)，生態(tài)系統(tǒng)的采用情況也參差不齊。同時(shí)，在一套通用標(biāo)準(zhǔn)下集成不同的 Chiplet 仍處于發(fā)展階段，這使得構(gòu)建可互操作系統(tǒng)的工作變得復(fù)雜。

有效的 D2D 通信還必須跨各種物理接口實(shí)現(xiàn)低延遲和高帶寬。寄存器映射和地址空間曾經(jīng)局限于單個(gè)芯片，現(xiàn)在需要擴(kuò)展到構(gòu)成設(shè)計(jì)的所有芯片組。諸如 AMBA CHI 之類的一致性協(xié)議也必須跨越多個(gè)芯片，這使得系統(tǒng)級(jí)集成和驗(yàn)證成為一個(gè)重大障礙。

要理解基于 Chiplet 系統(tǒng)的長(zhǎng)期愿景，首先要了解當(dāng)今板級(jí)設(shè)計(jì)通常是如何實(shí)現(xiàn)的。這通常需要設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)從 Avnet、Arrow、DigiKey、Mouser 等分銷商處選擇現(xiàn)成的組件。這些組件都支持定義明確的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口，包括 I2C、SPI 和 MIPI，從而可以輕松連接和集成。

在當(dāng)今的SoC設(shè)計(jì)方法中，單片IC通常是通過(guò)從多個(gè)值得信賴的第三方供應(yīng)商獲得軟知識(shí)產(chǎn)權(quán)（IP）功能塊的授權(quán)來(lái)開(kāi)發(fā)的。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)還會(huì)創(chuàng)建一個(gè)或多個(gè)專有IP，以區(qū)分其設(shè)備與競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品。所有這些軟IP隨后都會(huì)被集成、驗(yàn)證并實(shí)現(xiàn)到半導(dǎo)體芯片上。

基于 Chiplet 設(shè)計(jì)的長(zhǎng)期目標(biāo)是構(gòu)建完整的 Chiplet 生態(tài)系統(tǒng)。在這種情況下，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)將選擇一系列由值得信賴的第三方供應(yīng)商創(chuàng)建并通過(guò) Chiplet 分銷商采購(gòu)的現(xiàn)成 Chiplet，這與目前的板級(jí)設(shè)計(jì)人員的做法不同。這些 Chiplet 將使用業(yè)界值得信賴的“黃金”驗(yàn)證 IP 進(jìn)行預(yù)驗(yàn)證，從而實(shí)現(xiàn)預(yù)先設(shè)計(jì)的 Chiplet 的無(wú)縫集成，無(wú)需在流片前進(jìn)行整體驗(yàn)證。

該團(tuán)隊(duì)還可以利用相同的驗(yàn)證 IP 開(kāi)發(fā)一個(gè)或多個(gè)專有的芯片組。遺憾的是，這種基于芯片組的生態(tài)系統(tǒng)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范水平預(yù)計(jì)在幾年內(nèi)都無(wú)法實(shí)現(xiàn)。即使是像 UCIe 這樣的標(biāo)準(zhǔn)，其規(guī)范中也存在許多選項(xiàng)和變體，這意味著即使在考慮更高級(jí)別的協(xié)議之前，也無(wú)法保證兩種不同的 UCIe 實(shí)現(xiàn)之間的互操作性。

當(dāng)前形勢(shì)

盡管 Chiplet 生態(tài)系統(tǒng)正在不斷發(fā)展，但一些公司已在構(gòu)建多芯片系統(tǒng)。在某些情況下，這涉及 AMD、英特爾和 Nvidia 等大型企業(yè)，它們掌控著開(kāi)發(fā)流程的各個(gè)方面。規(guī)模較小的公司可能會(huì)與兩三家公司合作，組建自己的微型生態(tài)系統(tǒng)。這些公司通常利用 UCIe 等 D2D 互連標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)狀，但通常會(huì)在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)自己的協(xié)議，并在流片前對(duì)所有 Chiplet 進(jìn)行集成驗(yàn)證。

許多電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化 (EDA) 和 IP 供應(yīng)商正在合作開(kāi)發(fā)標(biāo)準(zhǔn)、工具流程以及至關(guān)重要的 VIP。這些公司包括 Arteris、Cadence、Synopsys 和 Arm，以及 SiFive 和 Tenstorrent 等 RISC-V 領(lǐng)導(dǎo)者。

如今，每個(gè)人都在追趕 Chiplet 的潮流。許多人對(duì)未來(lái)的奇跡夸夸其談，但大多數(shù)都言過(guò)其實(shí)，缺乏實(shí)際成果。雖然真正基于 Chiplet 的生態(tài)系統(tǒng)可能還需要五到十年才能建成，但無(wú)論大小公司都已開(kāi)始著手創(chuàng)建基于 Chiplet 的設(shè)計(jì)。