全球首個(gè)符合ASIL-D的車規(guī)級(jí)Chiplet D2D互連IP流片

隨著摩爾定律放緩，Chiplet SoC近年來(lái)被視為后摩爾時(shí)代推動(dòng)下一代芯片革新的關(guān)鍵技術(shù)。芯片巨頭AMD就憑借著在Chiplet上的投入，在過(guò)去幾年大大拉近了與英特爾在數(shù)據(jù)中心處理器領(lǐng)域的差距。特斯拉引領(lǐng)了智能汽車電子電器架構(gòu)由域內(nèi)集成演變?yōu)榭缬蛉诤霞爸醒胗?jì)算架構(gòu)。近期出現(xiàn)的AIGC促使汽車產(chǎn)業(yè)將智能化向更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展。智能汽車對(duì)算力需求的飆升使得行業(yè)迫切需要平臺(tái)化計(jì)算硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)降本增效，Chiplet異構(gòu)集成技術(shù)無(wú)疑是打破后摩爾時(shí)代算力瓶頸的關(guān)鍵。全球多家車廠已經(jīng)在使用Chiplet技術(shù)進(jìn)行下一代芯片產(chǎn)品的研發(fā)，實(shí)現(xiàn)高性能、可拓展的芯片平臺(tái)，從而覆蓋不同車型、不同配置的算力需求。英偉達(dá)等芯片廠商最近也宣布了Chiplet在車載領(lǐng)域的一些戰(zhàn)略部署。但Chiplet在車載領(lǐng)域的實(shí)踐不是一蹴而就的，誰(shuí)能拿出既滿足車載大算力需求，又滿足低成本，還滿足車規(guī)要求，更能為客戶創(chuàng)造差異化價(jià)值的芯片方案，誰(shuí)才能夠站在后摩爾時(shí)代半導(dǎo)體行業(yè)的舞臺(tái)中心。

決定Chiplet產(chǎn)品性價(jià)比和可靠性的關(guān)鍵技術(shù)之一：Chiplet D2D片間互連技術(shù)

從理論上來(lái)說(shuō)，Chiplet就像是搭建樂(lè)高積木，通過(guò)將單芯片拆分成若干個(gè)較小的裸片（Die），再將其互連并封裝成一個(gè)異構(gòu)集成芯片，從而達(dá)到甚至超越采用先進(jìn)工藝芯片的性價(jià)比。但是具體到車載領(lǐng)域，Chiplet還面臨著諸多挑戰(zhàn)，其中芯片架構(gòu)和互連方式是最需攻克的兩大難關(guān)。其中芯片架構(gòu)上的挑戰(zhàn)在于：將原來(lái)在單芯片上所實(shí)現(xiàn)的功能拆分為多顆Chiplet共同去完成時(shí)，Chiplet之間（Die-to-Die，簡(jiǎn)稱D2D）通信效率的降低會(huì)造成整體性能下降。如何找到最佳拆分方式，將性能下降控制在最低程度，是芯片架構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。而互連方式的挑戰(zhàn)也同樣在于：如何在滿足市場(chǎng)對(duì)于成本、可靠性要求的前提下，盡量減少Chiplet D2D通信效率的降低。Chiplet D2D互連技術(shù)根據(jù)工作方式的不同主要可分為并行互連及串行互連，以下是兩者的對(duì)比：

并行互連

先進(jìn)封裝：低延遲，高成本

并行互連不僅降低了兩顆芯片之間的延遲，還可以通過(guò)增加總線寬度來(lái)提升帶寬。然而，并行互連面臨的現(xiàn)實(shí)瓶頸是制造成本偏高。究其原因，是因?yàn)椴⑿谢ミB的I/O連接線數(shù)量較大，需要依賴諸如CoWoS、InFO一類的先進(jìn)封裝技術(shù)，而這會(huì)導(dǎo)致成本的巨大提升，也對(duì)可靠性提出了更高的挑戰(zhàn)。

串行互連

傳統(tǒng)封裝：高延遲，低成本

串行互連技術(shù)大大減少了芯片之間通信所需的I/O連接線總數(shù)，因此不需要依賴于先進(jìn)封裝，可以實(shí)現(xiàn)相對(duì)較低的成本，也相對(duì)比較容易實(shí)現(xiàn)更高的可靠性。但串行互連方式通常會(huì)引起額外約50-150 ns的延遲，不能滿足實(shí)時(shí)性要求較高的應(yīng)用需求。

在智能汽車這樣一種對(duì)性能（尤其是實(shí)時(shí)性）、成本和可靠性都非常敏感的應(yīng)用場(chǎng)景下，如果采用常見的串行互連方式及傳統(tǒng)封裝技術(shù)，雖然可以降低成本和可靠性風(fēng)險(xiǎn)，但顯然在通信延遲性能方面又遠(yuǎn)達(dá)不到實(shí)時(shí)性要求；而如果采用所謂的先進(jìn)封裝技術(shù)實(shí)現(xiàn)并行互連，其高昂的成本和未經(jīng)車規(guī)檢驗(yàn)的可靠性等風(fēng)險(xiǎn)都會(huì)讓人望而卻步。在滿足可靠性前提下，做好性能與成本之間的平衡，是Chiplet D2D互連方式的制勝關(guān)鍵。

為車載中央計(jì)算而生，芯礪智能獨(dú)創(chuàng)Chiplet D2D互連IP流片

芯礪智能全自研的Chiplet D2D 互連IP兼有并行互連技術(shù)的高帶寬、低延遲和串行互連技術(shù)的高可靠性、低成本的優(yōu)勢(shì)。該互連IP的端到端延遲小于5 ns，和片內(nèi)總線延遲在一個(gè)量級(jí)，可以很好地支持不同處理器之間，以及處理器和存儲(chǔ)器之間的低延遲互連的要求。另一方面，當(dāng)前先進(jìn)封裝還未能完全符合車規(guī)要求，而芯礪智能Chiplet D2D 互連IP支持車規(guī)級(jí)傳統(tǒng)封裝，可以廣泛應(yīng)用于車載領(lǐng)域。

圖1 Chiplet D2D 互連IP框圖

芯礪智能的Chiplet D2D互連IP采用專利性的設(shè)計(jì)，通過(guò)一種用于片間互連的總線流水線性結(jié)構(gòu)，做到了以較小的實(shí)際位寬來(lái)實(shí)現(xiàn)片間高帶寬及低延遲的互連，從而可以擺脫對(duì)先進(jìn)封裝的依賴，用低成本的傳統(tǒng)封裝來(lái)實(shí)現(xiàn)片間互連。基于傳統(tǒng)封裝的Chiplet D2D互連技術(shù)更易于實(shí)現(xiàn)AEC-Q100的車規(guī)認(rèn)證，從而達(dá)成高性價(jià)比、高可靠性的解決方案。

圖2 芯礪Chiplet D2D核心優(yōu)勢(shì)：

并行性能，串行成本

得益于這些領(lǐng)先的設(shè)計(jì)，芯礪智能的Chiplet D2D互連 IP可廣泛應(yīng)用于各種需要高帶寬、高可靠性、低延遲、低成本的應(yīng)用場(chǎng)景，包括自動(dòng)駕駛、高性能邊緣計(jì)算、機(jī)器人、人工智能等領(lǐng)域。以先進(jìn)的駕駛輔助系統(tǒng)和自動(dòng)駕駛領(lǐng)域?yàn)槔?，這樣的應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和安全性有著非常高的要求。芯礪智能的Chiplet D2D互連 IP為這些系統(tǒng)提供了低延遲且高性價(jià)比的互連解決方案，可以加速信號(hào)處理流程，提高系統(tǒng)的反應(yīng)速度。

本月初，芯礪智能全球首個(gè)符合ASIL-D功能安全等級(jí)的車規(guī)級(jí)Chiplet D2D互連IP流片。值得一提的是，該 IP所采用的核心技術(shù)已經(jīng)獲得了由美國(guó)專利及商標(biāo)局（United States Patent and Trademark Office, USPTO）授予的獨(dú)家專利，國(guó)內(nèi)的專利認(rèn)證流程也正如火如荼地進(jìn)行著。

Chiplet D2D互連技術(shù)應(yīng)用于車載領(lǐng)域的功能安全挑戰(zhàn)：ASIL-D

對(duì)于汽車芯片，ISO 26262是一個(gè)不能繞過(guò)的關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)。作為ISO 26262標(biāo)準(zhǔn)用于評(píng)估安全的等級(jí)，ASIL將汽車電子系統(tǒng)安全性能分為四個(gè)等級(jí)：ASIL-A、ASIL-B、ASIL-C 和 ASIL-D。其中，ASIL-D 表示最高安全等級(jí)。Chiplet D2D互連技術(shù)達(dá)到ASIL-D的級(jí)別確保能夠滿足復(fù)雜系統(tǒng)的安全性和可靠性要求。從失效影響角度，Chiplet D2D互連技術(shù)本身的失效會(huì)提升系統(tǒng)失效風(fēng)險(xiǎn)，而ASIL-D的Chiplet D2D互連技術(shù)可以完整覆蓋互連的失效，極大的降低系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)。此外，ASIL-D的Chiplet D2D互連技術(shù)可以應(yīng)用到不同等級(jí)的安全域，而Chiplet D2D互連技術(shù)的糾錯(cuò)、重傳機(jī)制更是可以有效提升系統(tǒng)的可用性。

達(dá)到ASIL-D級(jí)別的Chiplet D2D互連技術(shù)在設(shè)計(jì)、開發(fā)、測(cè)試和驗(yàn)證等方面都有非常嚴(yán)格的要求，這需要嚴(yán)格的安全管理體系、完備的安全架構(gòu)分析和細(xì)致的安全技術(shù)實(shí)施等多方面能力的支撐。以下是達(dá)到ASIL-D安全等級(jí)的 Chiplet D2D互連技術(shù)的關(guān)鍵點(diǎn)：

安全分析和架構(gòu)設(shè)計(jì)： 對(duì)Chiplet D2D互連技術(shù)的具體功能，失效模式和安全機(jī)制完整的分析是ASIL-D架構(gòu)的基礎(chǔ)。這需要IP架構(gòu)師，安全架構(gòu)師通過(guò)FTA，F(xiàn)MEA等方式對(duì)IP架構(gòu)進(jìn)行詳盡的失效模式分析、影響分析，據(jù)此設(shè)計(jì)高覆蓋率的安全機(jī)制，并通過(guò)FMEDA確認(rèn)整體覆蓋率（芯礪智能的Chiplet D2D互連 IP的SPFM=99.072%, LFM=90.641%）。此外，在架構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，不僅需要考慮高覆蓋率的安全機(jī)制，也需要考慮安全機(jī)制對(duì)延遲、面積，驗(yàn)證，測(cè)試，易用性的影響，最終達(dá)成一個(gè)高效的IP架構(gòu)。

故障后處理設(shè)計(jì)：IP若發(fā)生故障，系統(tǒng)通常需要進(jìn)入復(fù)雜的故障恢復(fù)流程（系統(tǒng)重啟等），從而導(dǎo)致系統(tǒng)在一段時(shí)間不可用，大大降低整體系統(tǒng)的可用性。為了提升整體系統(tǒng)的可用性，Chiplet D2D互連技術(shù)要具備高容錯(cuò)性，故障后處理需盡量考慮快速故障修復(fù)。在整個(gè)Chiplet D2D互連技術(shù)的架構(gòu)中，需考慮多種糾錯(cuò)技術(shù)，包括ECC、重傳等機(jī)制，并且和原有功能架構(gòu)形成良好的耦合。

驗(yàn)證：Chiplet D2D互連技術(shù)的驗(yàn)證應(yīng)經(jīng)過(guò)仔細(xì)規(guī)劃和驗(yàn)證。這涉及到總線、安全機(jī)制和故障后處理等多方面的協(xié)同驗(yàn)證。同時(shí)，也需要在各種不同的驗(yàn)證平臺(tái)進(jìn)行完備的故障注入測(cè)試，比如在RTL和門級(jí)仿真時(shí)候通過(guò)工具進(jìn)行故障注入測(cè)試，在FPGA平臺(tái)進(jìn)行的軟件故障注入測(cè)試，在流片回片后的互連故障注入測(cè)試等。

安全管理：ASIL-D的安全管理流程對(duì)于確保Chiplet D2D互連技術(shù)的安全性至關(guān)重要，這包含了完備的安全計(jì)劃和每個(gè)安全活動(dòng)的高質(zhì)量完成。其中，每個(gè)安全要求應(yīng)在安全計(jì)劃中被清晰定義和記錄，安全要求、設(shè)計(jì)和驗(yàn)證活動(dòng)需被文檔化，同時(shí)要確保安全活動(dòng)中文檔的可追溯性。

安全檔案：完整的安全檔案可以協(xié)助客戶的產(chǎn)品順利通過(guò)功能安全認(rèn)證。這包括完備、規(guī)范的安全分析交付件（FTA/FMEA/FMEDA），完整、易用的安全手冊(cè)，以及第三方權(quán)威機(jī)構(gòu)認(rèn)證證書。

今年6月初，芯礪智能Chiplet D2D 互連 IP獲得了全球首個(gè)車規(guī)級(jí)ISO26262 ASIL-D Ready認(rèn)證，該項(xiàng)認(rèn)證標(biāo)志著芯礪智能Die-to-Die Interconnect IP滿足最高功能安全要求，可以應(yīng)用在安全性要求最高的車載場(chǎng)景，是智能汽車算力平臺(tái)芯片研發(fā)的重要里程碑，也開啟了芯礪智能在智能汽車芯片市場(chǎng)的新階段。

圖3 ISO26262 ASIL-D Ready 認(rèn)證

接棒后摩爾時(shí)代，賦能汽車“芯”生態(tài)

隨著摩爾定律逼近極限，芯片設(shè)計(jì)日益復(fù)雜。芯礪智能認(rèn)為，公司的Chiplet D2D 互連IP不僅為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供了一種靈活可擴(kuò)展的互連方案，還可以幫助客戶降低研發(fā)和系統(tǒng)成本、加速產(chǎn)品開發(fā)周期、提升敏捷迭代能力，并實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)大的平臺(tái)化產(chǎn)品開發(fā)能力。