文｜半導體產(chǎn)業(yè)縱橫
在摩爾定律驅(qū)使下，芯片發(fā)展的目標永遠是高性能、低成本和高集成。隨著單芯片可集成的晶體管數(shù)量越來越多，工藝節(jié)點越來越小，隧穿效應逐漸明顯，漏電問題越發(fā)凸顯，導致頻率提升接近瓶頸，為進一步提升系統(tǒng)性能，芯片由單核向多核系統(tǒng)發(fā)展。
在后摩爾時代，先進工藝的研發(fā)成本過高，而市場需求變化又太快，導致應用碎片化嚴重，很難確保一顆大而全的芯片可以成功覆蓋所有需求，而過高的研發(fā)成本和因Die面積過大造成的良率下降也導致芯片成本大幅飆升。
為延續(xù)摩爾定律，采用多芯片異構(gòu)集成的方式取代單一大芯片，以確保在可接受的成本下進一步提升集成度和性能，因此芯片系統(tǒng)也逐漸演進到眾核異構(gòu)系統(tǒng)。
什么是芯片互聯(lián)技術(shù)
進入到眾核時代，各大廠商不約而同的采用了多Die擴展的技術(shù)路線。
一是，有基板封裝技術(shù)（MCM），通過基板走線的方式進行Die間互聯(lián)，例如低功耗超短距離；二是，硅中介層技術(shù)（silicon interposer），在Die的底部加入一層硅，作為中介層連接多個Die，蘋果就采用此方式；三是，嵌入式多芯互連橋技術(shù)（Embedded Multi-die Interconnect Bridge，EMIB），在基板制作過程中嵌入具有多個布線層的電橋，通過這些橋?qū)崿F(xiàn)多Die間的互連，英特爾就采用此方式。
Arm 高級副總裁兼基礎(chǔ)設(shè)施總經(jīng)理 Chris Bergey 表示：“CPU 設(shè)計的未來正在加速并向多芯片方向發(fā)展，這使得整個生態(tài)系統(tǒng)必須支持基于小芯片的 SoC?！?/p>
蘋果M1 Ultra Fusion
M1、M1 Pro、M1 Max、M1 Ultra的尺寸比較。管芯面積不斷擴大，分別有160億、337億、570億、1140億個晶體管。M1 Max 是 M1 的 3.5 倍，是 M1 Pro 的 1.7 倍，但 M1 Ultra 是 M1 Max 的兩倍。
蘋果M1 Ultra由 1140 億個晶體管組成，M1 Ultra 支持高達 128GB 的高帶寬、低延遲統(tǒng)一內(nèi)存，支持 20 個 CPU 核心、64 個 GPU 核心和 32 核神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)引擎，每秒可運行高達 22 萬億次運算，提供的 GPU 性能是蘋果 M1 芯片的 8 倍，提供的 GPU 性能比最新的 16 核 PC 臺式機還高 90%。
如此驚人的芯片，其技術(shù)的關(guān)鍵點在于將兩個 M1 Max 半導體裸片（半導體芯片體）連接在一起，形成一個兩倍大的 SoC。M1 Ultra，將兩個M1 Max 芯片拼在一起，使得芯片各項硬件指標直接翻倍。
現(xiàn)有的 PC 雙處理器配置通過主板上的布線連接兩個處理器。但是，在這種配置中，CPU之間的通信帶寬是有限的，因此會出現(xiàn)延遲，性能并不是簡單的翻倍，它還增加了功耗和發(fā)熱。
M1 Ultra 針對這個問題使用的互連技術(shù)被稱為“UltraFusion”，使用了 10000 多個硅中介層（連接布線）并按原樣連接半導體管芯，而不通過外部電路。采用這種設(shè)計，互連部分的數(shù)據(jù)傳輸速度最高可達 2.5TB/秒。
最重要的是，內(nèi)置在 M1 Max 中的指令調(diào)度程序?qū)⒅噶罘峙浣o雙倍的處理內(nèi)核，并像單個 SoC 一樣運行。由于內(nèi)存控制器也像集成一樣運行，因此整個內(nèi)存通道增加了一倍，內(nèi)存帶寬增加到每秒 800GB。
例如，一個M1Max中內(nèi)置有10個核心的CPU，但是在連接兩個CPU的情況下增加到20個核心。將程序中的命令用哪個核心來處理，由調(diào)度器這個模塊來分配，但是M1Max的調(diào)度器假定有20個核心的CPU，指令緩沖區(qū)的數(shù)量也進行了優(yōu)化。
英偉達、英特爾與AMD的選擇
英偉達超大規(guī)模計算副總裁 Ian Buck 表示：“小芯片和異構(gòu)計算對于應對摩爾定律放緩至關(guān)重要。”
英偉達近日發(fā)布的數(shù)據(jù)中心專屬CPU Grace CPU超級芯片也采用了類似的方式。
該芯片由兩顆CPU芯片組成，其間通過NVLink-C2C技術(shù)進行互連。其鏈路的能效最多可比英偉達芯片上的PCIe Gen 5高出25倍，面積效率高出90倍，可實現(xiàn)每秒900GB乃至更高的帶寬。
NVLink-C2C與近日英特爾和臺積電、三星等多家科技廠商發(fā)起的UCIe標準有著異曲同工之妙，也是一種新型的高速、低延遲、芯片到芯片的互連技術(shù)，可支持定制裸片與GPU、CPU、DPU、NIC、SoC實現(xiàn)互連。
此前英特爾在Hotchips芯片上就展示過EMIB（嵌入式芯片互連橋）技術(shù)，單個基板中可以有許多嵌入式橋接，根據(jù)需要在多個裸片之間提供極高的 I/O 和良好控制的電氣互連路徑。
由于芯片不必通過帶有 TSV 的硅中介層連接到封裝，因此不會降低其性能。我們將微凸塊用于高密度信號，使用粗間距、標準倒裝芯片凸塊用于從芯片到封裝的直接電源和接地連接。
為什么用芯片互聯(lián)技術(shù)？
對于目前的芯片技術(shù)來說，臺積電5nm的制程工藝是已經(jīng)能夠真正達到的業(yè)界頂尖工藝。但如果仍想在制程受到約束的情況下，推出性能更強的芯片，有兩種方式：第一，是再設(shè)計一款面積更大的芯片。第二，是將原來的芯片組合在一起使用，也就是說一次用兩顆。
但更大面積的芯片也是當前成電路發(fā)展面臨的困境之一，而當裸片面積越大，其良率就會越低，400平方毫米以上芯片良率降至20-30%，生產(chǎn)大面積裸片就意味著更多的壞點和更低的良率。而從一次用兩顆的方式來看，目前業(yè)界的主流通過主板 PCB 連接。
比如像華碩的 WS C621E SAGE 主板就屬于雙路 CPU 主板，在設(shè)計之初就支持兩塊 CPU 同時工作。
但這樣做缺點也很明顯，比如兩個 CPU 的插槽以及相應連接所需的布線明顯會占用很大的 PCB 面積，這樣做出來的產(chǎn)品尺寸會很大。而且由于兩個 CPU 之間是通過 PCB 走線連接，延遲會變得很大。
通過主板 PCB 連接兩塊 CPU 所帶來的缺點基本都是連線過長導致的，這也是為什么蘋果、英偉達、英特爾都紛紛看向封裝。
業(yè)內(nèi)人士推測蘋果的UltraFusion 封裝架構(gòu)至少是 InFO_LSI/CoWoS-L 的定制版本。在臺積電宣布了兩個版本的硅橋技術(shù)InFO_LSI 和 CoWoS-L中， InFO_LSI 凸塊焊盤間距指定為 25 μm。這與Apple M1 MAX凸塊焊盤間距已壓縮至 25 μm高度重合。
硅橋技術(shù)比較
InFO_LSI 的 RDL（再分布層）線/空間尺寸為 0.4/0.4 μm，這意味著 I/O 密度為 1250/mm/層。鑒于互連側(cè)的芯片邊緣長度超過 18 毫米，提供了超過 20000 個潛在的 I/O，遠遠超過 Srouji 引用的 10000 個。
2021 年 1 月，臺積電總裁魏哲家在財報會議上透露：“對于包括 SoIC、CoWoS 等先進封裝技術(shù)，我們觀察到 chiplet 正成為一種行業(yè)趨勢。臺積電正與幾位客戶一起，使用 chiplet 架構(gòu)進行 3D 封裝研發(fā)。
受限于不同架構(gòu)、不同制造商生產(chǎn)的die（裸片）之間的互連接口和協(xié)議的不同，設(shè)計者必須考慮到工藝制程、封裝技術(shù)、系統(tǒng)集成、擴展等諸多復雜因素，同時，還要滿足不同領(lǐng)域、不同場景對信息傳輸速度、功耗等方面的要求，使得小芯片的設(shè)計過程異常艱難。而解決這些問題的最大難關(guān)就是沒有統(tǒng)一的標準協(xié)議。
一片火熱的互聯(lián)聯(lián)盟
英特爾、臺積電、三星聯(lián)合日月光、AMD、ARM、高通、谷歌、微軟、Meta(Facebook)等十家行業(yè)巨頭共同宣布，成立小芯片（Chiplet）聯(lián)盟，并推出一個全新的通用芯片互聯(lián)標準——UCIe，以此共同打造小芯片互聯(lián)標準，推動開放生態(tài)建設(shè)。
UCIe的魅力在于可以將各個企業(yè)的Chiplet規(guī)定在統(tǒng)一的標準之下，這樣不同廠商、工藝、架構(gòu)、功能的芯片就可以進行混搭，從而輕易地達到互通，并且還能實現(xiàn)高帶寬、低延遲、低能耗、低成本。
在UCIe聯(lián)盟當中并沒有英偉達與蘋果這兩大異構(gòu)集成公司的身影，但從英偉達的了NVLink-C2C互連技術(shù)以及蘋果UltraFusion的提出可以看出，這兩大公司都不會缺席。
2022年4月2日，芯原股份宣布正式加入UCIe產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，成為中國大陸首批加入該組織的企業(yè)。但目前國產(chǎn)廠商在UCIe聯(lián)盟中力量仍稍顯薄弱。如果這些行業(yè)大佬有意聯(lián)合起來，制定“新的游戲規(guī)則”，下游的終端企業(yè)將別無選擇，只有隨波逐流。但未雨綢繆，國內(nèi)早已開始構(gòu)建一套原生 Chiplet 標準。
開放的小芯片生態(tài)系統(tǒng)對這一未來至關(guān)重要，主要行業(yè)合作伙伴可在UCIe聯(lián)盟支持下共同努力，實現(xiàn)改變行業(yè)交付新產(chǎn)品的方式并繼續(xù)兌現(xiàn)摩爾定律承諾的共同目標。