Ramune Nagisetty正在幫助英特爾在以小芯片為中心的新行業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中建立自己的位置。

　　小芯片（chiplet）是一種制造系統(tǒng)的方法，這個系統(tǒng)實際上由幾個較小的小芯片成，但是從其封裝外部看起來就好像所有功能單元都在一顆芯片上一樣。在傳統(tǒng)的摩爾定律前行的空間日益逼仄之際，小芯片被業(yè)界廣泛視為可以保持計算行業(yè)系統(tǒng)性能繼續(xù)提升的一種重要舉措。支持者表示，小芯片的優(yōu)勢包括更加容易實現(xiàn)專業(yè)化的系統(tǒng)、更高的良率等等。但是更重要的是，它們可能會導致無晶圓半導體行業(yè)發(fā)生重大轉變，使得這個行業(yè)的目標終端產品可能成為一種在同一個封裝內和通用處理器及許多其它專業(yè)小芯片組合在一起的小型專用chiplet。Ramune Nagisetty是英特爾俄勒岡州技術開發(fā)部門的首席工程師和工藝與產品集成經理，她一直致力于幫助開發(fā)一個行業(yè)范圍的小芯片生態(tài)系統(tǒng)。近日，她向記者透露了英特爾的小芯片技術。

　　小芯片是什么？

　　記者：你怎么定義小芯片，你能不能說明一下為什么小芯片變得重要了？

　　Nagisetty：小芯片是一塊物理硅片。它上面封裝了一個完整的IP子系統(tǒng)。通過封裝級集成，它可以和其它小芯片集成在一起，通常的集成方式是“高級封裝集成”和使用標準化的接口。

　　至于它們?yōu)槭裁粗匾?，是因為這個世界上不存在一種放之四海而皆準的通用方案?，F(xiàn)在，各種計算和工作負荷都出現(xiàn)了爆炸式的增長，所以出現(xiàn)了各種不同的架構來支持這些不同類型的計算模型?；旧?，領先技術的異構集成是保證摩爾定律繼續(xù)發(fā)揮作用的一種方式。

　　記者：你說的異構技術是不是也包括硅之外的一些半導體材料？

　　Nagisetty：當然，半導體材料不是只有硅一種，還有許多其它類型的半導體材料，比如鍺或III-Vs這樣的東西。將來我們肯定會擁有更多可用的半導體材料，但是今天主要還是硅。

　　即便小芯片只使用硅，它們肯定也會在不同的工藝節(jié)點上實現(xiàn)。它們通常面向不同應用領域進行性能調整，包括數(shù)字電路、模擬器件、RF或者內存技術。

　　在這里，真正能夠發(fā)揮小芯片優(yōu)勢的一個地方是內存整合。高寬帶的存儲器（HBM）是封裝內集成異構硅器件的早期成功案例。內存在本質上是一種異構集成，通過使用先進的封裝技術，它們獲得了飛速的發(fā)展。

　　英特爾的EMIB方案

　　記者：你們英特爾連接小芯片的方法叫做嵌入式多芯片互聯(lián)橋，這是個什么東西，它是如何工作的呢？

　　Nagisetty：你可以把EMIB看成是將兩個小芯片連接到一起的高密度橋，這是能夠描述它的最佳方式了。我想，很多人都比較熟悉使用硅互插器作為先進封裝基板的想法。硅互插器是一種硅襯底，上面有一些密集的互連結構和內置的硅通孔。它們實現(xiàn)了芯片之間的高帶寬連接。

　　EMIB在本質上是一種非常薄的硅中介層，上面有密度非常高的互聯(lián)結構，我們把它們成為微凸塊，EMIB的密度遠高于你在其它標準封裝基板上發(fā)現(xiàn)的那種密度。微凸塊是一些微小的焊球，可以把一個芯片連接到另一個芯片上，后者連接到封裝內的高密度互聯(lián)結構上。

　　基本上，EMIB會嵌入到標準封裝基板中。通過EMIB，你基本上可以在需要的任何地方實現(xiàn)最高密度的互聯(lián)，然后可以使用標準封裝基板實現(xiàn)其它地方的互聯(lián)。

　　這樣做有很多好處，比如它的成本優(yōu)勢。硅互插器的成本和它的面積成正比，我們只在需要的地方實現(xiàn)高密度互聯(lián)。同樣，這種方案在整體插入損耗方面也有可圈可點之處，由于材料特性會導致信號衰減，在大部分地方使用標準襯底、僅在需要位置使用EMIB這種硅互插器可以降低整體損耗。

　　記者：英特爾現(xiàn)在把EMIB用在哪些芯片上了？

　　Nagisetty：英特爾實際上有幾種不同的小芯片解決方案，我想每一個都談一談，因為它有助于揭示我所認為的小芯片未來的三個發(fā)展方向。

　　英特爾現(xiàn)在有兩種非常不同的基于EMIB的解決方案。第一個是Kaby Lake-G，我們在這個小芯片上將AMD的Radeon GPU、高帶寬內存和我們的CPU芯片集成在了一起。

　　我們使用EMIB把GPU和HBM集成在一起，使用了封裝內部的HBM接口。然后我們在標準電路板級接口上使用了PCI Express，用它來繼承GPU和CPU。

　　這種集成方案的真正有趣之處在于，我們使用的外部開發(fā)芯片來自多個代工廠，使用了通用的行業(yè)標準接口-HBM和PCI Express-來把它們集成在一起，打造一流的產品。在這種方案下，我們集成的帶有HBM的GPU之前是一個能夠獨立放在電路板上的組件，現(xiàn)在我們把它集成到了一個封裝中。PCI Express旨在傳輸長距離信號，在電路設計中比較普遍。當你把它放到一個封裝內時，雖然實際上它不一定是最優(yōu)的解決方案，但是這是部署最快的一種方案，因為我們利用了現(xiàn)在電子工業(yè)中已經存在的接口，而不用重新開發(fā)一種用在封裝內、可實現(xiàn)最優(yōu)連接的接口。

　　記者：這種集成能夠提供哪些優(yōu)勢？

　　Nagisetty：我覺得，最大的優(yōu)勢在于外形尺寸的縮減。對于移動游戲來說，能把小芯片放在筆記本電腦中非常重要。從本質上來說，你總是需要在外形尺寸、功耗和性能之間來回權衡。這種集成實現(xiàn)了真正的優(yōu)化，能夠以盡可能小的尺寸實現(xiàn)同類最佳的性能和功耗。

　　記者：還有沒有其它小芯片的例子？

　　Nagisetty：我要舉的下一個例子是Stratix 10 FPGA。它實際上是英特爾首次展示的EMIB解決

　　方案。Stratix 10的中心是一個英特爾的FPGA，圍繞著它有六個小芯片。其中，有四個是高速收發(fā)器，兩個是高帶寬內存，它們都封裝在一個封裝之中。這個例子中集成了來自三家代工廠、使用了六種不同的代工節(jié)點生產出來的小芯片。因此，Stratix 10進一步證明了不同代工廠生產的器件的互操作性。

　　此外，這顆芯片中使用了一種被稱為AIB的行業(yè)標準硅片到硅片接口，這是英特爾的高級接口總線。這是英特爾專為這種芯片設計的總線接口標準，它是實現(xiàn)封裝內部高帶寬、邏輯到邏輯器件互聯(lián)的重要支撐?？梢哉f，HBM是用于內存集成的第一個標準，而AIB是用于邏輯器件集成的第一個標準。

　　AIB這個接口可以和英特爾的EMIB解決方案和硅互插器等競爭性的解決方案一起使用，但是這個接口和作為這個生態(tài)系統(tǒng)核心的FPGA的真正偉大的地方在于，它們證明了混合搭配的FPGA方案是可行的方案。有很多不同的公司和大學正在DARPA的CHIPS（通用異構集成和IP重用策略）計劃的資助下使用AIB創(chuàng)建小芯片。

　　記者：還有第三個例子嗎？

　　Nagisetty：我要談的第三個例子是英特爾的Foveros解決方案，這是我們的邏輯組件上堆疊邏輯組件的芯片方案，我們在去年12月份首次提到該方案，并在今年一月份的CES展會上發(fā)布了一款產品-Lakefield。這也是一種小芯片集成，不過它不是水平堆疊，而是垂直堆疊。

　　這種集成類型使得您可以在兩個小芯片之間獲得極高的通信帶寬，但是和前面那些使用通用標準總線的方案不同，F(xiàn)overos基于內部專有接口，而且這兩個小芯片的耦合性很強，它們基本上都是共同設計的，必須在一起進行分層規(guī)劃，以管理供電輸送和散熱這些事情。

　　對于這種邏輯組件上堆疊邏輯組件方案，可能需要更長的時間才能把它演化成一種工業(yè)領域的標準。因為它這上面的芯片基本上都是共同設計的。在邏輯組件上堆疊內存可能會是最先衍生出三維堆疊開發(fā)標準的地方。

　　集成的工程性問題

　　記者：在設計堆疊芯片時，需要注意那些事項？

　　Nagisetty：散熱是最大的問題。其實，你也可以想象，硅片堆疊會讓任何類型的散熱問題都變得更為棘手。因此，我們確實需要繼續(xù)規(guī)劃分層，以適應、調整各個熱點。此外，我們還需要考慮整個系統(tǒng)的架構設計問題。三維堆疊不僅僅涉及到物理架構，它能一直影響到架構決策，而且是整個CPU/GPU和系統(tǒng)的架構。

　　而且，如果我們想要它實現(xiàn)任何一種類型的互操作性，就需要有支持可互操作的材料。此外，為了支持互操作性，需要做很多事情。不過，最大的挑戰(zhàn)還是在散熱上，供電輸送和電源管理的挑戰(zhàn)也不容小覷。

　　新的測試技術和標準

　　記者：為了推進小芯片，現(xiàn)在還需要哪些標準？

　　Nagisetty：圍繞測試的行業(yè)標準非常重要。通常而言，我們對一個完整的封裝里的部件進行測試。我們需要把一個“已知良好的硅片”（我們知道它能正常工作的小芯片）放到封裝內，這樣就不會最終生產出一個其它小芯片工作正常、但是由于單個小芯片失效導致無法正常工作的大芯片。所以我們需要一個確認硅片工作正常的策略，需要一種測試策略。

　　此外，我們需要多家小芯片供應商對電源和熱管理的支持。這就意味著，為了管理大芯片的電源和散熱，我們需要把所有這些需要集成的小芯片的電源和熱管理做好。

　　還有電氣操作性，我們去年發(fā)布的AIB接口實際上只是一種物理層級別的標準，只定義了電氣和物理接口，我們還需要上層協(xié)議標準。

　　最后一個也很明顯，就是機械標準，微凸塊的放置和它們之間的路由也需要標準來支持互操作性。

　　記者：你能不能多告訴我們一些關于“已知良好芯片”的問題，小芯片測試和之前有何不同之處？

　　Nagisetty：嗯，小芯片測試真的很不一樣。因為完全保證被測試的小芯片是“已知良好芯片”通?；趯Ψ庋b器件的熱測試。所以，你需要在把小芯片放入封裝之前測試這些裸片。測試封裝好的器件、給封裝好的器件都比裸片更容易，其它也是。所以，當你對裸片測試時，怎么加探針，怎么探測都會帶來挑戰(zhàn)，你需要設置額外的精細pad來放探針。

　　還有一件事，就是為了對裸片進行獨立測試，你必須把時鐘和其它任何為了支持完全測試必須具備的東西都設計到小芯片中。小芯片之間不能相互依賴才能完成測試，它們必須在放在封裝內部之前獨立地、完整地測試。

　　這個領域現(xiàn)在還有一些挑戰(zhàn)沒有解決。而且它非常重要，你可以想象一下，現(xiàn)在你有一個封裝了很多小芯片的組件，這個封裝好的器件比較貴。如果有任何一個小芯片壞掉了，而且沒有冗余或者無法修復，那么你只好丟掉這個器件，而這里面還有很多可以正常工作、有一定價值的小芯片。

　　記者：小芯片的一個優(yōu)勢是不是可以帶來更好的良率？因為它們體積更小，更容易提高良率？

　　Nagisetty：小芯片確實容易提高良率，這是這種方案得到應用的原因之一，但是這并不是唯一的原因。要想提高良率，還要取決于能否在最終封裝之前獨立、完整地測試它們。

　　小芯片將帶來哪些改變？

　　記者：小芯片將如何改變人們設計半導體器件的方式？

　　Nagisetty：我們可以在高帶寬內存集成上看到一些變化，它廣泛應用于GPU和高性能系統(tǒng)中的AI處理器中。所以，在這種情況下，小芯片和內存的封裝集成確實已經改變了芯片的設計和集成方式。

　　小芯片的協(xié)同設計肯定會成為一個重要的發(fā)展領域。我認為將要發(fā)生的一件事情就是，我們的芯片將會有獨家供應商提供小芯片。這樣的話，它們在架構上怎么劃分呢？我們怎么基于這些已有的構建模塊設計出最佳的產品出來呢？我認為，這真的是一場革命，一個全新的行業(yè)生態(tài)系統(tǒng)將圍繞它展開并發(fā)展起來。

　　能夠理解來自不同小芯片供應商的需求，并將它們的需求在架構及其邊界上體現(xiàn)出來將會變得非常重要。仿真工具和方法學很重要。是的，小芯片將改變我們設計芯片或設計封裝的方式，隨著時間的演變，它也肯定會改變半導體世界的生態(tài)系統(tǒng)。

　　記者：關于這個生態(tài)系統(tǒng)，你能多提供一些信息嗎？十年后的初創(chuàng)無晶圓廠設計公司將會是什么模樣？這場小芯片革命將怎么樣改變這些初創(chuàng)企業(yè)要發(fā)力的方向:

　　Nagisetty:我認為，對于初創(chuàng)無晶圓廠設計公司來說，現(xiàn)在真的是一個非常激動人心的時刻，因為，使用小芯片方案，初創(chuàng)公司完全可能創(chuàng)建一個更小型的IP子系統(tǒng)，當被集成到大芯片中時，這個子系統(tǒng)非常有價值。

　　DARPA CHIPS計劃的目標之一是支持IP重用，并降低生產產品時的整體非經常性工程成本。小芯片方案使得初創(chuàng)無晶圓廠設計公司能夠專注于他們非常擅長的IP部分，而不用擔心其它的部分，其它的是其它公司和集成公司操心的事。

　　我確實認為，小芯片方案能夠幫助初創(chuàng)無晶圓廠設計公司快速啟動，這也是DARPA計劃的另一個更重要的支持目標，即電子復興計劃。因為，隨著半導體工藝的發(fā)展，能夠支持先進高端工藝的公司越來越少了，小公司的創(chuàng)新能力也受到了負面影響。小芯片方案為更多的創(chuàng)新開辟了新的道路，特別是對那些初創(chuàng)無晶圓廠設計公司更是如此。我認為，小芯片將成為未來創(chuàng)新的平臺，這對整個半導體行業(yè)來說非常重要，這就是為什么我認為現(xiàn)在是一個非常激動人心的時刻，因為我們將會看到很多變化的發(fā)生，并且有很多機會見證并推動它的發(fā)展。

　　記者：當創(chuàng)業(yè)公司和小公司能夠有效參與進來之前，小芯片的發(fā)展有多快？

　　Nagisetty：最近發(fā)生了一些事情。 有一個名為ODSA（開放性的領域專用架構）的新行業(yè)論壇，它正在成為一個被稱為“開放計算機化”的行業(yè)協(xié)作的一部分。很多公司都在參加ODSA會議，并且表現(xiàn)出對使用封裝級集成和小芯片方案的興趣。最近還發(fā)布了一個計算快速鏈接（CXL），它可以作為加速器的接口。

　　看起來，支持這種新型生態(tài)系統(tǒng)的很多事情正在迅速發(fā)生。我真的很難預測它的發(fā)展速度，但是我覺得，也許短短幾年它的生態(tài)系統(tǒng)就能發(fā)展起來。而且我們已經發(fā)現(xiàn)了一些早期發(fā)展的證據(jù)。

　　記者：當小芯片最終集成到基底或者封裝中時，它是否需要某種程度的智能？

　　Nagisetty: 嗯，關于智能，我只能說我們將會看到它會如何演變。這實際上是一種架構上的決策，我認為這里有各種各樣的可能性。當把智能放到基底上，在它上面堆疊另一個基底，可能會有層次結構。

　　記者：在小芯片技術的開發(fā)上，英特爾下一步怎么走？

　　Nagisetty: 我可以告訴你的是，我們現(xiàn)在已經在市場上展示出來的東西就是我們將來如何創(chuàng)造幾乎所有小芯片產品的例子。你有看到了，在這市場上我們有多個賽道，我們也是剛剛開始朝小芯片的方向發(fā)展。不過，有這幾種方案和產品在手，我們肯定將在未來幾代產品中處于極好的領先位置上。