在(zai)摩(mo)爾定律逼近極限的今天(tian)，Chiplet的發展已是大勢所(suo)趨，也(ye)是我(wo)國半導體為數不多(duo)的反超國外的機會之一(yi)。
近日，在西安高新區舉行的秦創原人工智能前沿科技成果發布會暨重點成果轉化簽約儀式上，國內首款基于Chiplet(芯粒)技術的AI芯片“啟明930”正(zheng)式亮相(xiang)。
據(ju)了解，“啟明930”為北極雄芯開發的首款基(ji)(ji)于Chiplet異(yi)構(gou)集成的智能(neng)處理芯片，該芯片采(cai)用(yong)12nm工藝生產，中央控(kong)制芯粒(li)采(cai)用(yong)RISC-V CPU核(he)心，可通過高速接口搭載(zai)多(duo)(duo)個(ge)功能(neng)型(xing)芯粒(li)，并基(ji)(ji)于全(quan)國(guo)產基(ji)(ji)板材料以及2.5D封(feng)裝，做到算(suan)力可拓展，提供8~20TOPS(INT8)稠密算(suan)力來適應不同場景，目前已與多(duo)(duo)家AI下游(you)場景合作伙伴進(jin)行測試。
北極雄(xiong)芯創始人馬(ma)愷聲教授發布啟明930
Chiplet是平衡性能與成本的“靈丹妙藥”
當前，摩爾定律逐步趨近于物理極(ji)限，新工藝(yi)制(zhi)程發展(zhan)雖然使得芯(xin)片的(de)體積與性能不斷(duan)迭代，但(dan)同時也帶來(lai)了高昂(ang)的(de)成本(ben)(ben)。據IBS統計(ji)，28nm芯(xin)片的(de)設計(ji)成本(ben)(ben)在4000萬美(mei)元(yuan)，16nm芯(xin)片設計(ji)成本(ben)(ben)約1億美(mei)元(yuan)，而5nm芯(xin)片的(de)設計(ji)成本(ben)(ben)更高達5.4億美(mei)元(yuan)。
再繼(ji)續發(fa)展(zhan)下(xia)去，先進(jin)工藝的(de)(de)投(tou)入(ru)產出比(bi)已(yi)難(nan)(nan)以(yi)具備商業合理性，同時(shi)受(shou)制(zhi)于(yu)(yu)光刻尺(chi)寸及晶圓廠良率(lv)，單(dan)芯(xin)(xin)片(pian)的(de)(de)面(mian)積也很難(nan)(nan)繼(ji)續延伸，未(wei)來芯(xin)(xin)片(pian)設(she)計的(de)(de)成(cheng)本(ben)將(jiang)直接“勸退”中小廠商，甚至大廠也需要(yao)摸一下(xia)自己的(de)(de)口袋。而Chiplet的(de)(de)出現則是給了整個(ge)(ge)行業一個(ge)(ge)新的(de)(de)思路，Chiplet技術(shu)可以(yi)將(jiang)大型7nm設(she)計的(de)(de)成(cheng)本(ben)降(jiang)低25%，5nm及以(yi)下(xia)的(de)(de)制(zhi)程節省的(de)(de)成(cheng)本(ben)更多，基于(yu)(yu)Chiplet架構的(de)(de)芯(xin)(xin)片(pian)設(she)計理念也逐(zhu)步成(cheng)為后摩爾(er)時(shi)代提升(sheng)芯(xin)(xin)片(pian)性能及算力的(de)(de)共(gong)識。
根據Gartner預測，基于Chiplet方案的半導體(ti)器(qi)件收入將在2024年(nian)(nian)達到505億美元左右，2020-2024年(nian)(nian)間復合(he)增(zeng)速(su)高(gao)達98%。近年(nian)(nian)來，國外廠商基于Chiplet技(ji)術在各領域都有所嘗試(shi)，利用(yong)(yong)Chiplet技(ji)術在自身CPU、GPU等(deng)通用(yong)(yong)芯(xin)(xin)(xin)片上的應(ying)用(yong)(yong)已逐步商業化，可(ke)以將多顆不同(tong)工(gong)藝、不同(tong)功能的小(xiao)芯(xin)(xin)(xin)片，通過2D、2.5D、3D等(deng)各種(zhong)方式(shi)整合(he)在一起，更靈活地(di)制造大型芯(xin)(xin)(xin)片，當前AMD推出的銳龍(long)、霄龍(long)處理器(qi)，英特爾(er)最新的酷睿、至強(qiang)處理器(qi)，都是典型的小(xiao)芯(xin)(xin)(xin)片架(jia)構，而蘋果M2 Max芯(xin)(xin)(xin)片通過“簡單”的拼接，更加充分地(di)展(zhan)示出Chiplet在封裝互(hu)連技(ji)術、半導體(ti)制造和電路(lu)設(she)計上的巨大想象(xiang)空(kong)間。
放眼(yan)國(guo)(guo)內，在(zai)先進制程受到國(guo)(guo)外限制情況下，國(guo)(guo)產(chan)化(hua)替(ti)代進程逐漸加(jia)速(su)，Chiplet也為(wei)國(guo)(guo)內廠(chang)商和市場開辟(pi)了新思(si)路，是僅有的幾種可滿足國(guo)(guo)內日益增(zeng)長的大算(suan)(suan)力(li)需求的方式之一，有望成為(wei)我國(guo)(guo)集成電路產(chan)業在(zai)逆(ni)境中的突破口。同時，面(mian)對(dui)碎片(pian)化(hua)且(qie)預算(suan)(suan)有限的算(suan)(suan)力(li)芯(xin)片(pian)需求，Chiplet可快速(su)部署高(gao)性價比的工(gong)程化(hua)方案。
簡單(dan)來(lai)說，Chiplet技術(shu)就(jiu)是對原本(ben)復雜(za)的(de)(de)SoC芯(xin)(xin)片的(de)(de)解(jie)構，將滿足特定功(gong)(gong)能(neng)的(de)(de)裸片通(tong)過(guo)die-to-die內部(bu)互連技術(shu)與(yu)底層(ceng)基礎芯(xin)(xin)片封裝組(zu)合在一起，類似(si)于搭(da)建(jian)樂高積木一般，最后集成為(wei)一個系(xi)統級芯(xin)(xin)片，如(ru)采用(yong)(yong)28nm的(de)(de)芯(xin)(xin)片，通(tong)過(guo)Chiplet的(de)(de)方式(shi)，便可(ke)使其性能(neng)和功(gong)(gong)能(neng)接近16nm甚至7nm工(gong)藝的(de)(de)芯(xin)(xin)片。這(zhe)樣可(ke)以通(tong)過(guo)對不(bu)同功(gong)(gong)能(neng)模(mo)塊(kuai)(kuai)的(de)(de)芯(xin)(xin)片選(xuan)用(yong)(yong)合適(shi)的(de)(de)制程工(gong)藝，從技術(shu)方面實現各功(gong)(gong)能(neng)的(de)(de)最優化、成本(ben)的(de)(de)最小化、性價比的(de)(de)最大(da)化、模(mo)塊(kuai)(kuai)復用(yong)(yong)的(de)(de)靈活化。
而在(zai)(zai)算法差(cha)異(yi)(yi)化顯著、專(zhuan)用化需(xu)求逐(zhu)漸增強的(de)AI領域(yu)，“啟明(ming)930”背(bei)后北極雄芯獨(du)創的(de)基于Chiplet模式的(de)異(yi)(yi)構集成(cheng)方(fang)案，通過(guo)將通用需(xu)求與(yu)專(zhuan)用需(xu)求的(de)解耦，大幅降低了(le)芯片設(she)計(ji)投(tou)入門檻及風險，有(you)效解決了(le)下游客戶(hu)在(zai)(zai)算法適配(pei)、迭代周期、算力(li)利(li)用率、算力(li)成(cheng)本等各方(fang)面(mian)難以平衡的(de)核心(xin)痛(tong)點(dian)，可(ke)廣泛(fan)應用于數據中(zhong)心(xin)、自動駕駛、隱私(si)計(ji)算、工業(ye)智能(neng)等領域(yu)。
我國需要自己的Chiplet技術標準
作為一(yi)種互連(lian)技(ji)(ji)術，Chiplet與其他很多技(ji)(ji)術類似(si)，標(biao)準的(de)(de)制(zhi)定對(dui)整個(ge)產(chan)業來(lai)說(shuo)意(yi)義重大(da)。就(jiu)像樂高(gao)積木之所以能(neng)夠在全(quan)球風靡，其中(zhong)的(de)(de)一(yi)個(ge)重要原因就(jiu)在于(yu)其積模(mo)件的(de)(de)標(biao)準化。對(dui)于(yu)Chiplet來(lai)說(shuo)，能(neng)否進一(yi)步向(xiang)前(qian)發展，很大(da)程度(du)上取決于(yu)能(neng)否出現一(yi)種將不同芯片模(mo)型連(lian)接起來(lai)的(de)(de)標(biao)準接口。
在(zai)去年(nian)3月(yue)份(fen)，全球知名芯片制(zhi)造(zao)商(shang)英特爾、臺積電(dian)、三星聯手芯片封測龍頭日(ri)月(yue)光，攜手AMD、高通、谷歌、微軟、Meta等科技行業巨(ju)頭推出了(le)全新的(de)(de)(de)(de)通用芯片互連標準UCle，旨(zhi)在(zai)為小芯片互連定制(zhi)一(yi)個新的(de)(de)(de)(de)開放標準，簡化相(xiang)關流程，并提高來自不同制(zhi)造(zao)商(shang)的(de)(de)(de)(de)小芯片之(zhi)間的(de)(de)(de)(de)互操作性。這一(yi)標準之(zhi)下(xia)(xia)，芯片制(zhi)造(zao)商(shang)可以在(zai)合(he)適的(de)(de)(de)(de)情況下(xia)(xia)混(hun)合(he)構建(jian)芯片。目前，UCIe產業聯盟(meng)的(de)(de)(de)(de)會員囊括了(le)集成(cheng)電(dian)路領(ling)域設計、制(zhi)造(zao)以及(ji)用戶等上下(xia)(xia)游的(de)(de)(de)(de)上百家重要企業。
對于我國的(de)芯(xin)片產業來說，積極擁抱國際標準是(shi)一個(ge)必選項(xiang)，定(ding)制我國自己的(de)Chiplet標準更是(shi)迫在眉睫。
早(zao)在2020年(nian)，中(zhong)科院計算所(suo)就牽頭成立(li)(li)了(le)中(zhong)國計算機互連(lian)技(ji)術(shu)(shu)聯盟(meng)(CCITA)，重點圍繞Chiplet小芯(xin)片(pian)和微電(dian)子(zi)芯(xin)片(pian)光I/O成立(li)(li)了(le)2個標準(zhun)(zhun)工作組，并于2021年(nian)6月在工信(xin)部中(zhong)國電(dian)子(zi)工業(ye)標準(zhun)(zhun)化技(ji)術(shu)(shu)協會(hui)立(li)(li)項了(le)《小芯(xin)片(pian)接(jie)口總線技(ji)術(shu)(shu)》和《微電(dian)子(zi)芯(xin)片(pian)光互連(lian)接(jie)口技(ji)術(shu)(shu)》兩項團體(ti)標準(zhun)(zhun)。其中(zhong)，小芯(xin)片(pian)接(jie)口標準(zhun)(zhun)的制(zhi)定共集(ji)結了(le)國內產業(ye)鏈(lian)上下(xia)游六十多家單位共同參與(yu)研究。
在去年12月16日舉辦的(de)(de)“第二(er)屆中(zhong)(zhong)國(guo)(guo)(guo)互(hu)連技術與產(chan)業(ye)大(da)會”上(shang)，首個(ge)由(you)中(zhong)(zhong)國(guo)(guo)(guo)集成電(dian)路(lu)領域相關企(qi)業(ye)和專家共同主導制(zhi)定的(de)(de)《小芯片接口總線技術要求》團(tuan)體標(biao)準，正式通過(guo)工信部中(zhong)(zhong)國(guo)(guo)(guo)電(dian)子工業(ye)標(biao)準化技術協會的(de)(de)審定并發布。這是中(zhong)(zhong)國(guo)(guo)(guo)首個(ge)原生Chiplet技術標(biao)準，對于中(zhong)(zhong)國(guo)(guo)(guo)集成電(dian)路(lu)產(chan)業(ye)延續“摩爾定律”，突破(po)先進(jin)制(zhi)程工藝(yi)限制(zhi)具有重要意(yi)義。
這項(xiang)標準描述(shu)了CPU、GPU、人工智能芯(xin)片(pian)、網絡(luo)處理(li)器和網絡(luo)交換芯(xin)片(pian)等應(ying)用(yong)場景(jing)的(de)小(xiao)芯(xin)片(pian)接口(kou)總(zong)線(Chiplet)技(ji)(ji)術要求(qiu)(qiu)，包(bao)括(kuo)總(zong)體概述(shu)、接口(kou)要求(qiu)(qiu)、鏈(lian)路(lu)層、適(shi)配(pei)(pei)層、物理(li)層和封(feng)裝(zhuang)(zhuang)要求(qiu)(qiu)等，以靈活應(ying)對不同的(de)應(ying)用(yong)場景(jing)、適(shi)配(pei)(pei)不同能力的(de)技(ji)(ji)術供應(ying)商，通過對鏈(lian)路(lu)層、適(shi)配(pei)(pei)層、物理(li)層的(de)詳細定義，實現小(xiao)芯(xin)片(pian)之間的(de)互連(lian)互通，兼顧了PCIe等現有(you)協(xie)議的(de)支持(chi)，并列出了對封(feng)裝(zhuang)(zhuang)方式的(de)要求(qiu)(qiu)。
寫在最后
除北極雄芯(xin)等初創公司外，國(guo)內大廠也早(zao)已擁抱Chiplet。華為是國(guo)內最早(zao)嘗試Chiplet的(de)一批公司;海思半導(dao)體也在早(zao)期與臺積電(dian)合作過Chiplet技(ji)術;國(guo)產芯(xin)片(pian)廠商芯(xin)動科技(ji)在一款高性能服務器級(ji)顯卡GPU上使用(yong)了INNOLINK Chiplet技(ji)術;芯(xin)片(pian)封(feng)測企業長(chang)電(dian)科技(ji)也宣布已研發成功(gong)4納米Chiplet技(ji)術，封(feng)裝面(mian)積可(ke)以(yi)達到1500mm2，并實現了系(xi)統級(ji)封(feng)裝，在全球居于領先地位。
在(zai)(zai)目前芯片工藝被國(guo)外“卡(ka)脖子”的(de)情(qing)況下(xia)，很(hen)多人都認為Chiplet是(shi)我國(guo)在(zai)(zai)芯片領域(yu)彎道超(chao)車的(de)一(yi)個機(ji)會，但不(bu)(bu)要(yao)(yao)忘了，在(zai)(zai)實(shi)際駕駛的(de)過程中，彎道超(chao)車是(shi)要(yao)(yao)盡力避免的(de)操作，在(zai)(zai)直線(xian)上加(jia)速超(chao)車才是(shi)正確的(de)行為。芯片產業的(de)積累(lei)也不(bu)(bu)是(shi)短時間可(ke)以完成的(de)，Chiplet本身只是(shi)一(yi)種新的(de)封(feng)裝(zhuang)理念和技(ji)術(shu)發(fa)展的(de)思路(lu)而(er)已，可(ke)以將(jiang)不(bu)(bu)同節點工藝、不(bu)(bu)同材質(zhi)、不(bu)(bu)同功能、不(bu)(bu)同半導體(ti)公司的(de)芯片封(feng)裝(zhuang)在(zai)(zai)一(yi)起(qi)。而(er)國(guo)內廠商要(yao)(yao)走“全自(zi)研”路(lu)線(xian)，仍(reng)需(xu)打磨很(hen)長時間。
不(bu)僅如(ru)此，解決Chiplet的互聯標準也(ye)只是第(di)一(yi)(yi)步(bu)，Chiplet在(zai)國(guo)內(nei)還面(mian)臨(lin)著如(ru)何做(zuo)出來以及誰來用的問題。在(zai)技術層面(mian)，Chiplet面(mian)臨(lin)著來自多個方面(mian)的挑戰，需要依靠國(guo)內(nei)高校等機(ji)構的科研實力，聯合國(guo)內(nei)大廠，攻克(ke)Chiplet在(zai)設計(ji)、封(feng)裝、測(ce)試等環(huan)節的一(yi)(yi)眾難題;在(zai)應用方面(mian)，也(ye)需要聯合國(guo)家(jia)重點單位、大型企業、服(fu)務器應用商(shang)、智能車企業等來協(xie)同，才(cai)能使我國(guo)的Chiplet真正實現(xian)做(zuo)得(de)出來、賣(mai)得(de)出去。
參考資(zi)料(liao)：
1.《國內首款基于(yu)Chiplet AI芯片“啟明 930”亮相西(xi)安高新區(qu)》，鳳凰網
2.《“清華系(xi)”企(qi)業北極雄芯(xin)(xin) 發布首款基于Chiplet架構AI芯(xin)(xin)片》，愛集微
3.《北極(ji)雄芯完成天使+輪融資(zi)，引入眾多(duo)知名產業資(zi)本》，北極(ji)雄芯官網(wang)
4.《續寫摩爾定律!國(guo)產Chiplet標準將(jiang)出爐，小芯片迎來(lai)大爆發?》，物聯傳媒
