2023年是向多芯片系統(tǒng)發(fā)生巨變的一年。

現(xiàn)在似乎每個人都在談?wù)摱嘈酒到y(tǒng)，半導(dǎo)體行業(yè)不僅在談?wù)撍鼈儭嘈酒到y(tǒng)已經(jīng)上市。隨著計算需求的激增和摩爾定律的減弱，將多個異構(gòu)裸片或小芯片集成到同一封裝中的系統(tǒng)提供了一種方法來滿足苛刻的功率、性能、面積 （PPA）、成本和上市時間要求。多芯片系統(tǒng)使設(shè)計人員能夠以具有成本效益的價格加速系統(tǒng)功能的擴展、降低風險并快速創(chuàng)建新產(chǎn)品變體以實現(xiàn)靈活的產(chǎn)品組合管理。但是，雖然多芯片系統(tǒng)早在一兩年前就已經(jīng)提出，它其實一直有緩慢的進展。

到目前為止。隨著多芯片系統(tǒng)開始更深入地進入主流半導(dǎo)體世界，即將到來的 2023 年似乎是一個轉(zhuǎn)折點。為什么我們認為 2023 年是向多芯片系統(tǒng)發(fā)生巨變的一年？最大的變化是圍繞這些架構(gòu)的更廣泛的生態(tài)系統(tǒng)正在成熟，為成本效益和成功提供了更大的機會。對設(shè)計和驗證工具、IP 和制造的投資正在融合，以幫助克服以前的障礙，為采用多芯片系統(tǒng)鋪平道路。

更智能的產(chǎn)品對芯片的要求更高

每一代人的智能手機都變得越來越智能。AI 算法和大數(shù)據(jù)聯(lián)手產(chǎn)生了洞察力，推動了從疫苗發(fā)現(xiàn)到氣候變化等重大挑戰(zhàn)的進一步進展。先進的機器人技術(shù)現(xiàn)在可以生產(chǎn)商品或進行手術(shù)。我們的設(shè)備和系統(tǒng)的智能水平正在迅速提高，隨之而來的是對更多功能、更高帶寬、更好性能和更低功耗的更大需求——通常是在相同或更小的封裝內(nèi)。摩爾定律自成立以來一直是堅定不移的，每兩年計算性能翻一番，同時降低整體功耗。然而，在我們當前的數(shù)據(jù)驅(qū)動時代，性能需要以更快的速度擴展才能跟上步伐。處理、內(nèi)存、帶寬——它們都與單片 SoC 相撞。此外，我們正在快速接近制造的光罩極限，屆時密度縮放將隨著成本上升而大幅放緩。這就是多芯片系統(tǒng)大放異彩的地方，為激發(fā)持續(xù)創(chuàng)新提供了一條新途徑。

多芯片系統(tǒng)——集成的異構(gòu)小芯片——可以擁有數(shù)萬億個晶體管。它們提供了靈活性，可以根據(jù)特定工藝技術(shù)的獨特要求以及整體系統(tǒng)性能和成本目標，為特定功能指定芯片。從 2023 年開始，多芯片系統(tǒng)的設(shè)計開始預(yù)計在未來幾年內(nèi)將顯著增長。在不久的將來，這種架構(gòu)的最大采用者可能是高性能計算 （HPC） 和超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心中的那些人考慮到計算密集型工作負載。移動領(lǐng)域的芯片設(shè)計人員也在進行多芯片系統(tǒng)設(shè)計，利用 PPA 的優(yōu)勢為其空間受限的設(shè)備設(shè)計。

考慮到多芯片的多種形式，一些移動制造商正在利用先進封裝來提高芯片密度。汽車芯片設(shè)計人員也在采用多芯片系統(tǒng)（例如用于 AI 模型訓(xùn)練的 Tesla D1），我們看到該行業(yè)越來越多的芯片制造商對此感興趣。難怪——通過針對不同的專業(yè)功能使用不同的芯片，汽車子系統(tǒng)可以更好地滿足總體 PPA 和成本要求?，F(xiàn)實情況是，考慮到多芯片系統(tǒng)的成本、功能集成和擴展優(yōu)勢，它們正在所有應(yīng)用領(lǐng)域中推廣。因此，問題不在于不同行業(yè)是否會以這種方式移動，而是何時。所有跡象都表明 2023 年將是大規(guī)模采用的起點。

成熟的多芯片系統(tǒng)生態(tài)系統(tǒng)

圍繞多芯片系統(tǒng)的生態(tài)系統(tǒng)正在迅速成熟，這對于實現(xiàn)更廣泛的采用至關(guān)重要。雖然AMD、亞馬遜網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、蘋果和英特爾等芯片制造商已經(jīng)在市場上推出了此類設(shè)計，但該行業(yè)的其他主要參與者正在大舉進軍。一個重要的驅(qū)動因素是工具支持。雖然需要手動分析的專有工具和腳本已經(jīng)很普遍，但現(xiàn)在更廣泛的整體、統(tǒng)一和成熟的工具有助于簡化設(shè)計、驗證、測試、簽核和硅生命周期管理功能，向用戶隱藏深層的復(fù)雜性。

用于穩(wěn)健和安全的芯片到芯片連接的標準化 IP 現(xiàn)在也可用，以降低集成風險并加速小芯片市場。成熟生態(tài)系統(tǒng)的另一個標志是代工方面的活動。聯(lián)盟、流程和先進的封裝技術(shù)可用于支持多芯片系統(tǒng)。外包半導(dǎo)體組裝和測試 （OSAT） 供應(yīng)商是制造供應(yīng)鏈中的其他參與者，提供多芯片封裝所需的技術(shù)。事實上，封裝領(lǐng)域的進步正在促進多芯片系統(tǒng)的增長。最值得注意的是，硅中介層、再分布層 （RDL） 和 3D 堆疊先進封裝實現(xiàn)了重大突破，實現(xiàn)了高集成密度并提高了電源效率和性能。在標準方面，Universal Chiplet Interconnect Express （UCIe） 規(guī)范被證明是一個關(guān)鍵的推動因素，并且由于各種原因正在成為 die-to-die 連接的首選標準：

該規(guī)范目前支持 2D、2.5D 和橋包，預(yù)計將支持 3D 包。

它是唯一具有完整芯片到芯片接口堆棧的標準。

它支持每個引腳高達 32 Gbps 的帶寬——足以滿足當今和未來的應(yīng)用。

另一種正在取得長足發(fā)展的技術(shù)是硅光子學，它利用光的力量來傳輸和處理數(shù)據(jù)，并在異構(gòu)多芯片封裝中占有一席之地。通過提供高能效的帶寬擴展，集成到多芯片系統(tǒng)中的光子 IC 為解決日益增加的功率和數(shù)據(jù)量挑戰(zhàn)提供了答案。OpenLight是一家由Synopsys和Juniper Networks組成的公司，它提供了一個開放的硅光子學平臺，集成了激光器，簡化了將硅光子學集成到芯片設(shè)計中的過程。

從拐點到騰飛

如果 2022 年末是多芯片系統(tǒng)的轉(zhuǎn)折點，那么 2023 年將是這些架構(gòu)真正騰飛的一年。一些設(shè)計團隊可能會發(fā)現(xiàn)多芯片系統(tǒng)方法比向下移動另一個節(jié)點更具成本效益。其他人可能希望利用 PPA、成本和上市時間優(yōu)勢。無論如何，多芯片系統(tǒng)有望成為與其中的單芯一樣的主流，從而推動不斷改變我們生活的應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)更高水平的性能。

編輯：黃飛