小芯片（chiplet）聯(lián)盟正在努力地尋求一種確保強(qiáng)化IP互用性的方法，以降低成本、縮短上市時(shí)間，但這似乎不是一件容易的事情。到目前為止，只有Marvell在商業(yè)上使用過這個(gè)概念，并且只針對(duì)它自己的芯片，基于它稱之為模塊化芯片（MoChi）體系結(jié)構(gòu)。隨著時(shí)間的推進(jìn)，芯片行業(yè)很大一部分可能會(huì)朝這個(gè)方向發(fā)展。但是，在小芯片完全商業(yè)化之前，仍然有一些問題需要解決。
政府機(jī)構(gòu)、行業(yè)團(tuán)體和個(gè)別公司正在以聯(lián)盟的方式聚焦各種小芯片模型的研發(fā)，意圖為使用標(biāo)準(zhǔn)化的接口和組件、更快更便宜地構(gòu)建復(fù)雜芯片奠定基礎(chǔ)。
把像樂高這樣的不同模塊放在一起的想法在十年前就開始了。到目前為止，只有Marvell在商業(yè)上使用過這個(gè)概念，并且只針對(duì)它自己的芯片，基于它所謂的模塊化芯片（MoChi）體系結(jié)構(gòu)。自那時(shí)起，DARPA已經(jīng)啟動(dòng)了三項(xiàng)獨(dú)立舉措：IEEE協(xié)同SEMI制定的器件和系統(tǒng)國際路線圖、包括Netronome、Achronix、Kandou Bus、格羅方徳、NXP、Sarcina Technology和SiFive等在內(nèi)的公司聯(lián)盟，以及其他在歐洲勒蒂和弗勞恩霍夫等進(jìn)行的研究工作。
“明年你會(huì)聽到更多關(guān)于小芯片的消息，”Marvell的網(wǎng)絡(luò)首席技術(shù)官和高級(jí)總監(jiān)Yaniv Kopelman說。“小芯片是延續(xù)摩爾定律的好方法，三年前我們就在一個(gè)開關(guān)上實(shí)現(xiàn)了，并且我們一直在內(nèi)部跨生產(chǎn)線使用這項(xiàng)重用技術(shù)。”
三年前，Marvell引入了基于Kandou互連結(jié)構(gòu)的MoChi架構(gòu)。從那時(shí)起，由于器件微縮成本的上升和人工智能算法以及諸如汽車芯片和5G等新市場(chǎng)的爆發(fā)，其他公司也陸續(xù)開始參與進(jìn)來。
圖1：智能手機(jī)中的MoChi示例
（來源：馬維爾）
“由于變化的速度很快，”SiFive的首席執(zhí)行官Naveed Sherwani說。“所以我們有了適應(yīng)快速變化的算法，您希望應(yīng)用的ASIC或接近ASIC的算法，已經(jīng)可以與FPGA的速度、功耗和成本相抗衡。但是我們也看到，特別是人工智能領(lǐng)域，摩爾定律已經(jīng)近乎于停止，因?yàn)樵倮^續(xù)微縮下去沒有任何幫助了。如果我們看不到下一個(gè)節(jié)點(diǎn)，小芯片的方法就變得更加切實(shí)可行。”
Sherwani說，這也可能降低公司芯片開發(fā)的門檻，隨著半導(dǎo)體行業(yè)變得更加經(jīng)濟(jì)實(shí)惠和有活力，有助于吸引更多新的人才和年輕的工程師。
這種做法得到很多支持，尤其是在初創(chuàng)公司和投資者之間。
“小芯片技術(shù)會(huì)提高銷售速度，并且會(huì)有更多的創(chuàng)新，”Kandou Bus的CEO Amin Shokrollahi說。“這將加速創(chuàng)新，因?yàn)槟阒辉O(shè)計(jì)其中一部分，全部設(shè)計(jì)不需要從頭做起，這一直是IP公司和IP業(yè)務(wù)想做的事情。你所要做的只是選取具體的IP而已，當(dāng)然把這些IP整合到一起就不是這么簡(jiǎn)單了，整合是很難的。”
提供框架和標(biāo)準(zhǔn)化可以提供幫助，并可以顯著降低設(shè)計(jì)成本和提高設(shè)計(jì)效率。
“必須從根本上降低創(chuàng)新成本，”Shokrollahi說。“這意味著我們需要弄清楚如何在三個(gè)月內(nèi)進(jìn)入市場(chǎng)，并理解為什么總犯重復(fù)的錯(cuò)誤。”在過去的40年里，集成的難點(diǎn)大致是相同的。做一個(gè)項(xiàng)目需要5到10人的團(tuán)隊(duì)，而不是一個(gè)200人的團(tuán)隊(duì)，而且要快速完成。”
要做到這一點(diǎn)有很多工作要做，而且這個(gè)概念在商業(yè)上還需要得到一定數(shù)量公司的證明。能夠以具有成本效益的方式在全球供應(yīng)鏈上得到充分的一致性和靈活性是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)，但實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的意義是深遠(yuǎn)的。
“所有這些的真正價(jià)值在于一個(gè)小芯片目錄，以便您跟蹤芯片去了哪里，以及人們?cè)谑褂迷揑P時(shí)遇到過哪些問題，”ClioSoft市場(chǎng)營銷副總裁Ranjit Adhikary說。“您真正想要的是像Amazon這樣的模型，其中對(duì)每個(gè)IP都有規(guī)范和評(píng)論，無論是硬IP還是軟IP。”另一點(diǎn)很重要的是安全，控制誰可以進(jìn)出IPs，誰不可以。所有這些都需要一個(gè)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，通過那里您可以了解相關(guān)義務(wù)責(zé)任，并且跟蹤IPs以及了解它們?nèi)绾伪皇褂谩！?/p>
未來的挑戰(zhàn)
創(chuàng)建可供多個(gè)公司開發(fā)硬IP的基礎(chǔ)平臺(tái)并不是微不足道的。隨著多個(gè)地區(qū)的多家公司芯片開發(fā)，這將變得更加困難。有時(shí)是語言問題，有些是應(yīng)用問題。對(duì)于某些應(yīng)用來說，可靠性、安全和靜電/鄰近效應(yīng)的表征可能需要比其他應(yīng)用更精確。這對(duì)于某些以安全為首的應(yīng)用和在高級(jí)工藝節(jié)點(diǎn)上開發(fā)的芯片集成尤其如此。
“每增加一個(gè)新器件，復(fù)雜性就會(huì)增加兩到三倍，”DELTA微電子銷售和市場(chǎng)部副總裁Gert Jorgensen說。“我們已經(jīng)完成了180、40和28納米的雙芯片封裝，所有這些都是定制設(shè)計(jì)的芯片。這使得它更容易被整合，因?yàn)樗鼈兪潜划?dāng)成一個(gè)整體設(shè)計(jì)的。如果你分別把每樣?xùn)|西都標(biāo)準(zhǔn)化，它們就可能彼此不適合了。”
還有其他問題。“當(dāng)你與多個(gè)供應(yīng)商打交道時(shí)，就會(huì)遇到像準(zhǔn)時(shí)交貨這樣的問題，”Jorgensen說。“因此，你可以從每個(gè)公司得到25個(gè)晶片，但可能從一個(gè)供應(yīng)商就得到23個(gè)合格晶片，或有時(shí)硅片被污染而不易粘合。”
Marvell公司的Kopelman說，Marvell遇到的一個(gè)大問題是芯片之間的接口。由于成本原因，接口需要在有源襯底上運(yùn)行，而不是使用中介器。另一個(gè)問題是怎樣分塊。
“當(dāng)你構(gòu)造小芯片時(shí)，有時(shí)你會(huì)在中間劃分IP，”Kopelman說。“面臨的挑戰(zhàn)是在何處劃分，以及如何開發(fā)出這樣的架構(gòu)。對(duì)一個(gè)開關(guān)或CPU來說，主要關(guān)注的是組件的延遲時(shí)間，另一個(gè)問題是良率問題。在演示中構(gòu)建IP很容易，但要得到有生產(chǎn)價(jià)值的IP，還有很長的路要走。它需要通過ESD、高低溫和不同的工藝驗(yàn)證，這是一項(xiàng)費(fèi)時(shí)費(fèi)力的工作。”
封裝的加速
雖然對(duì)小芯片的大部分注意力都集中在上市時(shí)間和定制化上，但它們也可以應(yīng)用于傳統(tǒng)的封裝，如扇出（fan-out）技術(shù)。這其中一個(gè)最大的挑戰(zhàn)是裸芯片的放置。
“從概念上講，小芯片是使用類似于EMIB（英特爾的嵌入式多芯片互連橋）技術(shù)構(gòu)建扇出的一種非常好的方法，”ASE高級(jí)技術(shù)顧問、研究員Bill Chen說。“但這并不容易。使用扇出和其他技術(shù)，你需要將裸芯片精確地放置在基板上，然后使用再分布層。然而在扇出工藝中，裸芯片會(huì)發(fā)生位移。
雖然扇出已經(jīng)批量生產(chǎn)，特別是在基于TSMC的InFO架構(gòu)的智能手機(jī)中，但這種封裝方法的更廣泛應(yīng)用才剛剛開始。
“目前還很少有多芯片的實(shí)現(xiàn)，”Chen說。“設(shè)計(jì)需要迎頭趕上，成本改進(jìn)也需要趕上，有許多不同的想法正在嘗試中。ASE已經(jīng)嘗試了“chip last”和“chip first”雙裸片封裝，兩者都取得了成功。”
下一步是增加可重復(fù)性，這可能需要各種新方法。Brewer Science正在研究一種這樣的方法，利用模板化合物中的一層薄膜，它能像模板一樣工作。該方法可以顯著減少裸芯片位移問題。
“這并不是一個(gè)基板，”Brewer Science高級(jí)技術(shù)執(zhí)行董事Rama Puligadda說。“這是環(huán)氧樹脂模化合物的替代品，你預(yù)先準(zhǔn)備的一個(gè)模板，在那里可以在硅中制造空腔。”
她指出，這也有助于解決諸如翹曲的問題，這是一個(gè)與電磁兼容性有關(guān)并日益嚴(yán)重的問題。小芯片的方法更模塊化，減少了各個(gè)部件上的機(jī)械應(yīng)力。
圖2：由薄片疊成的化合物“裸芯片-模版”填充概念
（來源：Brewer Science）
大家都在做什么
DARPA的CHIPS（通用異構(gòu)集成和IP重用策略）項(xiàng)目贏得了波音、洛克希德、諾斯羅普·格魯曼、英特爾、Micron、Cadence、Synopsys等商用和民用/航空業(yè)的支持。同樣，SEMI和IEEE也在推動(dòng)一個(gè)快速集成的通用路線圖，西門子Mentor已經(jīng)建立了封裝流程，可以在這方面有所幫助。
圖3：小芯片與基板的連接
（資料來源：佐治亞理工大學(xué)）
但是，將其推向主流商業(yè)水平還有很長的路要走。“到目前為止，還沒有定義用于芯片間通信的通信協(xié)議，”Achronix市場(chǎng)副總裁Steve Mensor說。“單器件的芯片到芯片通信協(xié)議可以采用，但這些協(xié)議具有較大的延遲開銷，并且對(duì)于封裝集成解決方案將是次優(yōu)的。一旦有定義的標(biāo)準(zhǔn)，小芯片的使用案例將會(huì)迅速擴(kuò)展。”
Mensor表示，愿景是更好的兼容性，而不是更好的特性。“最終目標(biāo)是創(chuàng)建能夠與封裝集成解決方案中的任何其它芯片可靠兼容的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品。這將需要標(biāo)準(zhǔn)和兼容性認(rèn)證方法，否則，每個(gè)封裝解決方案都將成為構(gòu)建定制解決方案重大工程的努力。”
這需要在多個(gè)層次上改變游戲規(guī)則，其背后的驅(qū)動(dòng)概念是大規(guī)模定制，第三方IP應(yīng)該積極促進(jìn)這種方式。我們?nèi)鄙俚氖前涯切┝闵⒌腎P準(zhǔn)確地集成到一起的方法。
“你需要專業(yè)知識(shí)和跟蹤該領(lǐng)域的應(yīng)用，因?yàn)閷?duì)于AI、網(wǎng)絡(luò)和安全而言，必須以一個(gè)特定方式看待它，”Netronome Systems的首席營銷和戰(zhàn)略官Sujal Das說。“這是從每瓦特性能獲得更多價(jià)值的方式，就區(qū)別（differentiation）而言你需要最大限度的選擇。今天，當(dāng)您從不同的供應(yīng)商選取SerDes IP時(shí)，您不得不進(jìn)入一個(gè)特定的工藝結(jié)構(gòu)。如果你想遷移到5G的PAM-4，你需要7納米，那樣你必須全盤遷移。但是其他的IP應(yīng)該能夠留在最好的節(jié)點(diǎn)上，并且為了使之工作，您需要一個(gè)開放的方式來連接它們。英特爾的EMIB對(duì)此有些“大材小用”，您希望以靈活的方式啟用連接。”
Das說，這需要同步和異步方法，以及通用連接結(jié)構(gòu)。Netronome已經(jīng)開放了它的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)來促進(jìn)這一點(diǎn)。
“第一步是制作規(guī)格白皮書，”Das說。“然后，我們釋放規(guī)格書并充實(shí)它們。我們希望在明年的Q1或Q2有一個(gè)原型機(jī)。”
從那里，需要開發(fā)工具和方法以使所有這些能工作。雖然小芯片比大芯片產(chǎn)率高，但由于它們將被封裝在一起可能會(huì)導(dǎo)致出錯(cuò)，一個(gè)不合格的小芯片足可以使整個(gè)封裝失效。此外，芯片或模塊在封裝、測(cè)試甚至運(yùn)輸中可能損壞，如果有多芯片在里面則損壞的成本更高。
“當(dāng)裸芯片尺寸較大時(shí)，產(chǎn)率會(huì)下降，”JCET集團(tuán)的技術(shù)戰(zhàn)略主管S.W.Yoon說。“我們?cè)谏瘸鲋锌吹搅诉@一點(diǎn)，尺寸越大，例如10×10或20×20，產(chǎn)率越低。”
Yoon說，現(xiàn)在的重點(diǎn)是更薄的封裝和2微米或更小的互連，特別是在扇出領(lǐng)域。這意味著，這一類型器件中使用的小芯片將需要具有與今天定制的芯片有相同的密度和可交互特征，工具將需要考慮不同的IP能力和限制。
“工具是必要的，”Kandou的Shokrollahi說。“我們有些工具是和Marvell一起開發(fā)的，但仍有相當(dāng)部分是缺乏的。”
工具在構(gòu)建這些器件時(shí)提供了更多的兼容性。它們還減少了可能潛入設(shè)計(jì)的錯(cuò)誤，尤其是當(dāng)復(fù)雜性超過人類大腦的能力，在多個(gè)維度上布局所有可能的交互和電學(xué)意義上的連接時(shí)。
該工具起始于EDA的計(jì)劃階段，但它繼續(xù)深入到制造的檢查和測(cè)試階段。在某些情況下，工具驅(qū)動(dòng)方法學(xué)，某些情況下反過來也是正確的。但是一旦這個(gè)基礎(chǔ)建立起來，它就為改善工藝、降低成本和試驗(yàn)新的各種可能性提供了余地，例如芯片間的硅光子學(xué)。
雖然光子學(xué)已經(jīng)出現(xiàn)一段時(shí)間了，它主要應(yīng)用于各種類型的服務(wù)器和大型數(shù)據(jù)中心的存儲(chǔ)。將它們放入一個(gè)封裝將對(duì)性能、延遲和熱效應(yīng)產(chǎn)生重大影響。但是，何時(shí)能以一個(gè)有競(jìng)爭(zhēng)力的價(jià)格引入商業(yè)規(guī)模，目前尚不清楚。
也就是說，小芯片的發(fā)展勢(shì)頭很大，在過去一年的技術(shù)會(huì)議上，許多涉及小芯片討論通常也包括將光子學(xué)作為未來一個(gè)發(fā)展方向。
結(jié) 論
商業(yè)化的小芯片至少還有幾年的時(shí)間。它們已經(jīng)在少數(shù)的應(yīng)用中得到了證明，隨著時(shí)間的推移，很大一部分芯片行業(yè)會(huì)朝這個(gè)方向發(fā)展。但是在商業(yè)化之前仍然有一些問題需要解決，這將需要多家公司的努力，而不是少數(shù)公司。
“雖然我們今天還沒有生產(chǎn)小芯片，但我們已經(jīng)開始研究它了，”eSilicon總裁兼首席執(zhí)行官Jack Harding說。“我個(gè)人認(rèn)為，這是模塊開發(fā)、更廣義地說是芯片開發(fā)必然要發(fā)生的。”