在摩爾(er)定(ding)律逼近極限的(de)(de)今天，Chiplet的(de)(de)發(fa)展已(yi)是(shi)大勢(shi)所趨(qu)，也是(shi)我(wo)國半導體為數不(bu)多的(de)(de)反超國外的(de)(de)機會之一。
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”正式(shi)亮相。
據(ju)了解，“啟明930”為北極(ji)雄芯(xin)開發(fa)的首款基(ji)于(yu)Chiplet異構集成的智能處理芯(xin)片，該芯(xin)片采(cai)用12nm工藝生產(chan)，中央控制(zhi)芯(xin)粒(li)采(cai)用RISC-V CPU核(he)心(xin)，可(ke)通過高速接口(kou)搭(da)載多個(ge)功能型芯(xin)粒(li)，并基(ji)于(yu)全國產(chan)基(ji)板材料(liao)以及2.5D封裝(zhuang)，做到算力可(ke)拓展，提供(gong)8~20TOPS(INT8)稠密算力來適應不同場景，目前已(yi)與多家AI下游(you)場景合作伙伴(ban)進行測試(shi)。
北(bei)極雄芯創始(shi)人馬愷聲教授(shou)發(fa)布啟明930
Chiplet是平衡性能與成本的“靈丹妙藥”
當前(qian)，摩爾定律逐步趨近于物理(li)極限，新工藝制程(cheng)發展(zhan)雖然(ran)使得芯片的(de)(de)體(ti)積與性能不斷迭代，但(dan)同時也(ye)帶(dai)來了高(gao)昂的(de)(de)成(cheng)本。據IBS統計(ji)(ji)，28nm芯片的(de)(de)設計(ji)(ji)成(cheng)本在4000萬(wan)美元(yuan)，16nm芯片設計(ji)(ji)成(cheng)本約1億(yi)(yi)美元(yuan)，而5nm芯片的(de)(de)設計(ji)(ji)成(cheng)本更高(gao)達5.4億(yi)(yi)美元(yuan)。
再繼續發展下去(qu)，先進工藝的(de)(de)(de)投入產出(chu)比已難以(yi)具備商(shang)業合理(li)性(xing)，同時受制(zhi)于光(guang)刻尺(chi)寸及晶(jing)圓廠良(liang)率(lv)，單芯(xin)(xin)片的(de)(de)(de)面積也很難繼續延(yan)伸，未來芯(xin)(xin)片設(she)(she)計(ji)的(de)(de)(de)成(cheng)本將直接“勸(quan)退”中(zhong)小廠商(shang)，甚至大廠也需(xu)要摸一(yi)下自己的(de)(de)(de)口袋。而Chiplet的(de)(de)(de)出(chu)現則是給了整個(ge)行業一(yi)個(ge)新的(de)(de)(de)思路，Chiplet技術可以(yi)將大型7nm設(she)(she)計(ji)的(de)(de)(de)成(cheng)本降低25%，5nm及以(yi)下的(de)(de)(de)制(zhi)程節省的(de)(de)(de)成(cheng)本更多，基于Chiplet架構的(de)(de)(de)芯(xin)(xin)片設(she)(she)計(ji)理(li)念也逐(zhu)步成(cheng)為后摩(mo)爾(er)時代提升芯(xin)(xin)片性(xing)能及算力的(de)(de)(de)共識。
根據Gartner預(yu)測，基(ji)于Chiplet方案(an)的(de)(de)(de)半(ban)導體器(qi)件收入(ru)將在2024年(nian)達到505億美元左右，2020-2024年(nian)間(jian)復合(he)增速高(gao)達98%。近年(nian)來(lai)，國外廠商(shang)基(ji)于Chiplet技(ji)術(shu)在各領域都有所嘗試(shi)，利(li)用(yong)Chiplet技(ji)術(shu)在自身CPU、GPU等通(tong)用(yong)芯片上的(de)(de)(de)應(ying)用(yong)已逐步商(shang)業化，可以將多(duo)顆不同工藝、不同功能的(de)(de)(de)小芯片，通(tong)過(guo)2D、2.5D、3D等各種方式整合(he)在一(yi)起(qi)，更靈活地(di)制造大型芯片，當前AMD推出的(de)(de)(de)銳龍、霄龍處理器(qi)，英特爾最新的(de)(de)(de)酷睿、至強處理器(qi)，都是典型的(de)(de)(de)小芯片架構(gou)，而蘋(pin)果M2 Max芯片通(tong)過(guo)“簡單”的(de)(de)(de)拼接，更加充分地(di)展示出Chiplet在封裝互連技(ji)術(shu)、半(ban)導體制造和電路(lu)設計(ji)上的(de)(de)(de)巨大想象(xiang)空間(jian)。
放(fang)眼國(guo)(guo)內，在(zai)先進(jin)(jin)制程受(shou)到(dao)國(guo)(guo)外限(xian)制情況下，國(guo)(guo)產化(hua)替代進(jin)(jin)程逐(zhu)漸加速，Chiplet也為國(guo)(guo)內廠商和市場開辟了新思(si)路(lu)，是僅有(you)的(de)幾種可(ke)滿足國(guo)(guo)內日益增(zeng)長的(de)大(da)算力(li)需求的(de)方(fang)式之(zhi)一(yi)，有(you)望成(cheng)為我國(guo)(guo)集成(cheng)電路(lu)產業在(zai)逆境中的(de)突破(po)口。同時，面對碎(sui)片化(hua)且預(yu)算有(you)限(xian)的(de)算力(li)芯片需求，Chiplet可(ke)快(kuai)速部署高性價(jia)比的(de)工程化(hua)方(fang)案。
簡單來(lai)說(shuo)，Chiplet技術就是對(dui)原(yuan)本復(fu)雜的(de)(de)(de)(de)(de)SoC芯(xin)片(pian)(pian)的(de)(de)(de)(de)(de)解構，將(jiang)滿(man)足特定功(gong)能的(de)(de)(de)(de)(de)裸片(pian)(pian)通過die-to-die內部互連技術與底層基礎芯(xin)片(pian)(pian)封裝組(zu)合(he)在一起，類(lei)似(si)于搭建樂高(gao)積木一般，最后集成為一個系統級芯(xin)片(pian)(pian)，如采用28nm的(de)(de)(de)(de)(de)芯(xin)片(pian)(pian)，通過Chiplet的(de)(de)(de)(de)(de)方式，便可使(shi)其性能和功(gong)能接(jie)近(jin)16nm甚(shen)至(zhi)7nm工藝的(de)(de)(de)(de)(de)芯(xin)片(pian)(pian)。這樣(yang)可以通過對(dui)不(bu)同功(gong)能模(mo)塊(kuai)的(de)(de)(de)(de)(de)芯(xin)片(pian)(pian)選用合(he)適的(de)(de)(de)(de)(de)制(zhi)程(cheng)工藝，從(cong)技術方面實現各功(gong)能的(de)(de)(de)(de)(de)最優(you)化(hua)、成本的(de)(de)(de)(de)(de)最小化(hua)、性價比的(de)(de)(de)(de)(de)最大化(hua)、模(mo)塊(kuai)復(fu)用的(de)(de)(de)(de)(de)靈(ling)活化(hua)。
而在(zai)算法(fa)差異化(hua)(hua)顯著、專用化(hua)(hua)需求逐漸增(zeng)強(qiang)的AI領域(yu)，“啟明930”背后北極雄芯(xin)(xin)獨創的基于(yu)Chiplet模式的異構集成方案(an)，通過將通用需求與專用需求的解耦，大幅降(jiang)低了(le)芯(xin)(xin)片設計(ji)投入門檻及風(feng)險，有效(xiao)解決了(le)下游客戶在(zai)算法(fa)適(shi)配、迭代(dai)周(zhou)期、算力利用率、算力成本等各方面難(nan)以平衡的核心痛點，可(ke)廣泛應用于(yu)數據中心、自動駕駛、隱私計(ji)算、工業智能等領域(yu)。
我國需要自己的Chiplet技術標準
作為一(yi)種互(hu)連(lian)技術(shu)(shu)，Chiplet與其他很多技術(shu)(shu)類(lei)似，標(biao)準的(de)(de)制定對(dui)整個產業來(lai)說意(yi)義重大(da)。就(jiu)像樂高(gao)積(ji)木之所以能夠在全球風靡，其中的(de)(de)一(yi)個重要原因(yin)就(jiu)在于(yu)其積(ji)模件的(de)(de)標(biao)準化(hua)。對(dui)于(yu)Chiplet來(lai)說，能否進一(yi)步(bu)向前(qian)發(fa)展，很大(da)程(cheng)度上取(qu)決于(yu)能否出(chu)現一(yi)種將不同芯片(pian)模型連(lian)接(jie)起來(lai)的(de)(de)標(biao)準接(jie)口。
在(zai)去年3月份，全球(qiu)知名(ming)芯(xin)片(pian)(pian)(pian)(pian)制造(zao)(zao)商(shang)英特爾、臺積電(dian)、三星聯手(shou)芯(xin)片(pian)(pian)(pian)(pian)封測(ce)龍頭日月光，攜手(shou)AMD、高(gao)通、谷歌、微軟、Meta等(deng)科技行業(ye)(ye)巨頭推出了(le)全新的(de)(de)通用芯(xin)片(pian)(pian)(pian)(pian)互(hu)連標準(zhun)UCle，旨在(zai)為小(xiao)芯(xin)片(pian)(pian)(pian)(pian)互(hu)連定制一(yi)個新的(de)(de)開放標準(zhun)，簡化相關流程，并提高(gao)來(lai)自不同制造(zao)(zao)商(shang)的(de)(de)小(xiao)芯(xin)片(pian)(pian)(pian)(pian)之(zhi)(zhi)間的(de)(de)互(hu)操(cao)作性(xing)。這一(yi)標準(zhun)之(zhi)(zhi)下，芯(xin)片(pian)(pian)(pian)(pian)制造(zao)(zao)商(shang)可以(yi)在(zai)合適的(de)(de)情況下混合構建(jian)芯(xin)片(pian)(pian)(pian)(pian)。目前，UCIe產(chan)業(ye)(ye)聯盟的(de)(de)會員囊(nang)括(kuo)了(le)集成電(dian)路(lu)領域設計、制造(zao)(zao)以(yi)及(ji)用戶等(deng)上(shang)下游的(de)(de)上(shang)百家重要(yao)企業(ye)(ye)。
對(dui)于(yu)我國的(de)芯片產業來說，積極擁抱國際標準是一個必選項，定制我國自己的(de)Chiplet標準更是迫在眉睫。
早在(zai)2020年(nian)，中(zhong)科院計算(suan)所就牽頭成立了中(zhong)國(guo)計算(suan)機互(hu)連技術(shu)聯盟(CCITA)，重點圍繞Chiplet小(xiao)芯(xin)片(pian)和微(wei)(wei)電子芯(xin)片(pian)光(guang)I/O成立了2個標準工(gong)作組，并于2021年(nian)6月(yue)在(zai)工(gong)信部中(zhong)國(guo)電子工(gong)業(ye)標準化技術(shu)協會(hui)立項了《小(xiao)芯(xin)片(pian)接(jie)口總(zong)線技術(shu)》和《微(wei)(wei)電子芯(xin)片(pian)光(guang)互(hu)連接(jie)口技術(shu)》兩(liang)項團體標準。其中(zhong)，小(xiao)芯(xin)片(pian)接(jie)口標準的制定共集結了國(guo)內產業(ye)鏈上下游六十(shi)多家(jia)單位共同參與(yu)研究。
在去年12月16日舉辦的(de)“第二屆中國(guo)互連技(ji)(ji)術(shu)與(yu)產業大會(hui)(hui)”上(shang)，首個由中國(guo)集成(cheng)電路領(ling)域(yu)相關企業和專家(jia)共同主導制定的(de)《小芯片接口總線技(ji)(ji)術(shu)要求(qiu)》團體標(biao)準(zhun)，正(zheng)式(shi)通過工信部中國(guo)電子工業標(biao)準(zhun)化(hua)技(ji)(ji)術(shu)協(xie)會(hui)(hui)的(de)審(shen)定并發布。這是中國(guo)首個原生Chiplet技(ji)(ji)術(shu)標(biao)準(zhun)，對于中國(guo)集成(cheng)電路產業延續(xu)“摩爾定律”，突(tu)破先進制程工藝限制具有重要意(yi)義。
這項標準描述了CPU、GPU、人工(gong)智能(neng)芯(xin)(xin)片(pian)、網(wang)絡處理(li)器和網(wang)絡交換芯(xin)(xin)片(pian)等(deng)應(ying)(ying)(ying)用場景(jing)的(de)(de)(de)小(xiao)(xiao)芯(xin)(xin)片(pian)接口總線(Chiplet)技術(shu)要求，包括總體(ti)概述、接口要求、鏈路層、適配層、物理(li)層和封裝(zhuang)要求等(deng)，以(yi)靈活應(ying)(ying)(ying)對(dui)不同(tong)的(de)(de)(de)應(ying)(ying)(ying)用場景(jing)、適配不同(tong)能(neng)力(li)的(de)(de)(de)技術(shu)供應(ying)(ying)(ying)商，通過(guo)對(dui)鏈路層、適配層、物理(li)層的(de)(de)(de)詳細定義，實(shi)現小(xiao)(xiao)芯(xin)(xin)片(pian)之(zhi)間(jian)的(de)(de)(de)互(hu)連互(hu)通，兼顧了PCIe等(deng)現有協議的(de)(de)(de)支持，并列出(chu)了對(dui)封裝(zhuang)方式的(de)(de)(de)要求。
寫在最后
除北極雄芯(xin)(xin)(xin)等初創(chuang)公司(si)外，國(guo)內大廠(chang)也早(zao)已擁抱Chiplet。華為是國(guo)內最早(zao)嘗(chang)試Chiplet的(de)一批公司(si);海思半(ban)導體也在(zai)早(zao)期(qi)與(yu)臺積(ji)電合作過Chiplet技(ji)(ji)術;國(guo)產(chan)芯(xin)(xin)(xin)片廠(chang)商芯(xin)(xin)(xin)動科(ke)(ke)技(ji)(ji)在(zai)一款高性能服務(wu)器級(ji)(ji)顯卡(ka)GPU上使用了INNOLINK Chiplet技(ji)(ji)術;芯(xin)(xin)(xin)片封測企業(ye)長電科(ke)(ke)技(ji)(ji)也宣(xuan)布已研發成功(gong)4納米Chiplet技(ji)(ji)術，封裝(zhuang)面積(ji)可以(yi)達到1500mm2，并實(shi)現了系(xi)統級(ji)(ji)封裝(zhuang)，在(zai)全球居于領先地位。
在(zai)目前芯片(pian)工藝被國外“卡(ka)脖子”的(de)(de)(de)(de)情況下，很多(duo)人都(dou)認為(wei)Chiplet是(shi)(shi)我國在(zai)芯片(pian)領域彎(wan)道超車(che)的(de)(de)(de)(de)一個機(ji)會，但不(bu)要忘了(le)，在(zai)實(shi)際駕駛的(de)(de)(de)(de)過程中(zhong)，彎(wan)道超車(che)是(shi)(shi)要盡力避(bi)免的(de)(de)(de)(de)操作，在(zai)直線(xian)上加速超車(che)才是(shi)(shi)正確的(de)(de)(de)(de)行為(wei)。芯片(pian)產業的(de)(de)(de)(de)積累也(ye)不(bu)是(shi)(shi)短時間(jian)可(ke)(ke)以(yi)完(wan)成的(de)(de)(de)(de)，Chiplet本身只是(shi)(shi)一種新的(de)(de)(de)(de)封裝理(li)念和技術發(fa)展的(de)(de)(de)(de)思路而(er)已，可(ke)(ke)以(yi)將(jiang)不(bu)同(tong)節點工藝、不(bu)同(tong)材(cai)質、不(bu)同(tong)功能、不(bu)同(tong)半導體公司的(de)(de)(de)(de)芯片(pian)封裝在(zai)一起。而(er)國內(nei)廠商要走(zou)“全自研”路線(xian)，仍需打(da)磨很長時間(jian)。
不(bu)僅如此，解決Chiplet的互(hu)聯標(biao)準也(ye)只是第一步(bu)，Chiplet在國(guo)(guo)內(nei)還面(mian)臨(lin)著如何做出(chu)來以及誰來用的問題(ti)。在技(ji)術層面(mian)，Chiplet面(mian)臨(lin)著來自多個方(fang)面(mian)的挑(tiao)戰，需要(yao)依靠國(guo)(guo)內(nei)高校等(deng)機(ji)構(gou)的科研(yan)實力，聯合國(guo)(guo)內(nei)大廠(chang)，攻克(ke)Chiplet在設計、封裝、測試等(deng)環節的一眾難題(ti);在應用方(fang)面(mian)，也(ye)需要(yao)聯合國(guo)(guo)家重點單位(wei)、大型企(qi)業、服務器應用商、智能(neng)車企(qi)業等(deng)來協同，才能(neng)使(shi)我國(guo)(guo)的Chiplet真(zhen)正實現(xian)做得出(chu)來、賣得出(chu)去。
參考(kao)資料：
1.《國(guo)內首款基于Chiplet AI芯片“啟明 930”亮相西安高新區》，鳳凰網
2.《“清華系”企業(ye)北極雄芯(xin) 發布首款基于Chiplet架構(gou)AI芯(xin)片》，愛集微
3.《北極雄芯完成天使(shi)+輪融資，引(yin)入(ru)眾多知名產業資本》，北極雄芯官網
4.《續寫摩爾定(ding)律!國產Chiplet標(biao)準將(jiang)出爐，小芯片迎來(lai)大(da)爆發?》，物(wu)聯(lian)傳媒
