原創(chuàng) Lee 問(wèn)芯

引領(lǐng)集成電路行業(yè)數(shù)十年高速發(fā)展的“摩爾定律”如今日趨放緩。隨著芯片工藝制程節(jié)點(diǎn)向 3nm、2nm 演進(jìn)，量子隧穿效應(yīng)、短溝道效應(yīng)等帶來(lái)的漏電、發(fā)熱等問(wèn)題愈發(fā)嚴(yán)重，在有限的面積內(nèi)增加更多晶體管變得愈發(fā)困難，成本大幅攀升，業(yè)界不得不探索其他技術(shù)路線。

作為當(dāng)今“后摩爾時(shí)代”的芯片設(shè)計(jì)技術(shù)，Chiplet（芯粒、小芯片）應(yīng)運(yùn)而生。與傳統(tǒng) SoC 芯片設(shè)計(jì)方法不同，Chiplet 能讓不同功能模塊采用最適合其性能需求的工藝節(jié)點(diǎn)制造，從而優(yōu)化成本效益比，提高設(shè)計(jì)靈活性，是一種更為經(jīng)濟(jì)高效的解決方案。

圍繞 Chiplet 技術(shù)，標(biāo)準(zhǔn)化有助于更快形成設(shè)計(jì)生態(tài)，進(jìn)一步推動(dòng) chiplet 技術(shù)廣泛應(yīng)用，并推動(dòng)產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)協(xié)作，加速產(chǎn)品研發(fā)周期，降低研發(fā)成本。

近期，「問(wèn)芯」專訪了國(guó)內(nèi)和 IEEE Chiplet 標(biāo)準(zhǔn)制訂牽頭人、中國(guó)科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所郝沁汾研究員，訪談中他圍繞 Chiplet 技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀、未來(lái)趨勢(shì)，以及 Chiplet 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)制訂等多個(gè)方面進(jìn)行了分享和解讀。

圖｜中國(guó)科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所郝沁汾研究員（來(lái)源：受訪者）

2001 年，郝沁汾博士畢業(yè)于中國(guó)科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)專業(yè)，從業(yè) 20 余年間他先后就職于聯(lián)想、北京航空航天大學(xué)、華為等，專注于高性能服務(wù)器、高端 SMP 服務(wù)器、高速緩存一致性互連芯片、CPU 芯片的設(shè)計(jì)和研究工作。此外，他還是中國(guó)和 IEEE Chiplet 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的主要發(fā)起人和起草人，曾參與過(guò)多項(xiàng)國(guó)家級(jí)科研項(xiàng)目，在國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)會(huì)議及核心刊物上發(fā)表學(xué)術(shù)文章 50 余篇，申請(qǐng)國(guó)內(nèi)外發(fā)明專利 100 余項(xiàng)。

目前，郝沁汾是中國(guó)科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所研究員、博士生導(dǎo)師，現(xiàn)階段的研究方向主要是圍繞基于 Chiplet 架構(gòu)的處理器、基于芯片級(jí)光互連的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等。

“Chiplet 作為新的設(shè)計(jì)方法學(xué)可加速芯片設(shè)計(jì)”

Chiplet 的設(shè)計(jì)理念最早可追溯至上世紀(jì) 70 年代的“多芯片模組”概念，近幾年 Chiplet 技術(shù)突然升溫，在郝沁汾看來(lái)，“任何一個(gè)先進(jìn)技術(shù)概念誕生之初都存在時(shí)代局限性，當(dāng)時(shí)技術(shù)基礎(chǔ)可能并不完備，比如缺乏應(yīng)用需求、標(biāo)準(zhǔn)、功能芯粒、EDA 工具等，所以長(zhǎng)期停留在概念層面。”

之所以 Chiplet 在近幾年變得業(yè)界矚目，他認(rèn)為有兩方面的因素：其一，先進(jìn)工藝制程達(dá)到物理極限；其二，大公司希望提升良率，中小公司希望有更好的方法設(shè)計(jì)芯片，或者降低芯片設(shè)計(jì)的門(mén)檻，尤其在面向業(yè)務(wù)的芯片設(shè)計(jì)方面。

具體而言，“首先，是先進(jìn)工藝制程發(fā)展面臨瓶頸，晶體管密度達(dá)到物理極限，因此需要尋求其他解決方案，而 Chiplet 技術(shù)為有效技術(shù)之一，本質(zhì)是通過(guò)擴(kuò)展面積從而實(shí)現(xiàn)性能繼續(xù)提升。其次，即使不采用先進(jìn)工藝，如今的芯片面積越來(lái)越大，對(duì)良率造成影響，Chiplet 技術(shù)依然可以用來(lái)提升大算力芯片的良率，而由于面積較小，IoT 等芯片對(duì)良率不敏感，但種類繁多，IoT 芯片設(shè)計(jì)公司更側(cè)重芯片設(shè)計(jì)效率，多方面因素讓 Chiplet 變得非常熱門(mén)。”郝沁汾解釋道。

與此同時(shí)，就國(guó)內(nèi)而言，先進(jìn)工藝發(fā)展與國(guó)際層面存在差距，在工藝相對(duì)落后的情況下，通過(guò) Chiplet 開(kāi)發(fā)芯片也是一種切實(shí)可行的策略。“采用 Chiplet 方式開(kāi)發(fā)的芯片，在功能和性能方面接近采用先進(jìn)工藝開(kāi)發(fā)的芯片，或許芯片的功耗、面積會(huì)稍大，但在一些對(duì)功耗、面積不敏感的場(chǎng)景是較好的解決方案。”他表示。

圖｜Chiplet 技術(shù)示意（來(lái)源：受訪者）

在郝沁汾看來(lái)，Chiplet 技術(shù)的發(fā)展大致可劃分為兩個(gè)階段：Chiplet 1.0 階段（此前 3-4 年間）和 Chiplet 2.0 階段（目前及未來(lái) 10 年間）。

“在 1.0 階段，Chiplet 技術(shù)的開(kāi)發(fā)主要集中在一些大型芯片企業(yè)（比如英特爾、AMD 等），其核心訴求是為了解決芯片良率問(wèn)題。”他指出。隨著 SoC 面積的增大，如果繼續(xù)沿用傳統(tǒng)單芯片的設(shè)計(jì)方案，那么芯片面積會(huì)越來(lái)越大，良率會(huì)逐漸下降，進(jìn)而導(dǎo)致成本增加，所以大型芯片企業(yè)采用 Chiplet 的設(shè)計(jì)方式來(lái)解決生產(chǎn)良率問(wèn)題。

“在 2.0 階段，則主要是為了解決芯片設(shè)計(jì)效率問(wèn)題。”他表示。設(shè)計(jì)大芯片的企業(yè)關(guān)心良率，而設(shè)計(jì)中小芯片的公司（如 IoT 芯片設(shè)計(jì)企業(yè)）側(cè)重的是芯片開(kāi)發(fā)的門(mén)檻問(wèn)題，即如何找到一種更高效的方法去設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)芯片，這是中小芯片設(shè)計(jì)公司面臨的主要訴求。

不同于傳統(tǒng)單芯片的設(shè)計(jì)模式，Chiplet 將“大芯片拆分為小芯片”進(jìn)行生產(chǎn)并集成封裝。“Chiplet 的本質(zhì)其實(shí)是一種‘分開(kāi)設(shè)計(jì)’的模式，小公司若要加速芯片的設(shè)計(jì)效率，采用 Chiplet 方式能起到較好的效果。”郝沁汾說(shuō)道。

例如，整顆芯片上包含多個(gè)小芯片，小公司可以完成其中的一個(gè)業(yè)務(wù)邏輯芯片，其他的諸如功能芯片則可以從“芯粒庫(kù)”（包含大量的已經(jīng)設(shè)計(jì)好的小芯片）中挑選，然后將所有小芯片通過(guò)先進(jìn)封裝技術(shù)進(jìn)行組裝，如此一來(lái)，能大幅降低芯片開(kāi)發(fā)難度，進(jìn)而加速芯片整體設(shè)計(jì)效率。

但就現(xiàn)階段而言，Chiplet 技術(shù)發(fā)展也面臨一些挑戰(zhàn)。“Chiplet 技術(shù)最大的挑戰(zhàn)主要在 2.0 階段。一方面，中小型芯片設(shè)計(jì)公司的訴求并沒(méi)有得到業(yè)界充分關(guān)注，而大公司采用 Chiplet 設(shè)計(jì)芯片其實(shí)不需要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)?strong>自己設(shè)計(jì)的芯粒進(jìn)行對(duì)接并不需要標(biāo)準(zhǔn)，比如英特爾并沒(méi)有通過(guò) UCIe 協(xié)議和任何第三方芯粒對(duì)接，UCIe 更多的是作為開(kāi)放給業(yè)界的一種芯粒接口標(biāo)準(zhǔn)，但由于設(shè)計(jì)極其復(fù)雜（如狀態(tài)機(jī)等），并不一定適合所有的芯片種類。因此，究竟誰(shuí)該來(lái)用‘Chiplet 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)’，我覺(jué)得現(xiàn)階段是存在誤區(qū)的。”郝沁汾指出。

“另一方面，目前‘芯粒庫(kù)’依然缺乏功能芯粒，只有在具備大量現(xiàn)成的功能芯粒的前提下，Chiplet 2.0 階段才能順利推進(jìn)。”他說(shuō)道。

市場(chǎng)層面，郝沁汾表示，“很大程度上，Chiplet 可以說(shuō)是一種不得不用的設(shè)計(jì)方法，幾乎所有的芯片相關(guān)公司開(kāi)發(fā)下一代芯片都有嘗試和探索這種方法，因此，其市場(chǎng)規(guī)模將會(huì)逐步增長(zhǎng)。”

“需要注意的是，其實(shí) Chiplet 并不是脫離于當(dāng)前集成電路行業(yè)的一個(gè)新的獨(dú)立市場(chǎng)，而是基于現(xiàn)有集成電路市場(chǎng)上的一種新的設(shè)計(jì)方法學(xué)，即在原有集成電路產(chǎn)業(yè)上疊加的一個(gè)技術(shù)，而疊加了 Chiplet 以后的集成電路行業(yè)也就變成 Chiplet 的市場(chǎng)。”他說(shuō)道。

“終極目標(biāo)是‘讓天下沒(méi)有難設(shè)計(jì)的芯片’”

2021 年 5 月，中國(guó)計(jì)算機(jī)互連技術(shù)聯(lián)盟（CCITA）在中國(guó)電子工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)協(xié)會(huì)立項(xiàng)了 Chiplet 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)《小芯片接口總線技術(shù)要求》，作為中國(guó) Chiplet 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的主要發(fā)起人和起草人，郝沁汾坦言，“國(guó)內(nèi) Chiplet 標(biāo)準(zhǔn)制定的挑戰(zhàn)性很大，而且后期面臨的挑戰(zhàn)還會(huì)越來(lái)越大。比如，在 Chiplet 標(biāo)準(zhǔn)制定過(guò)程中我也曾聽(tīng)到一些諸如‘標(biāo)準(zhǔn)的制定應(yīng)當(dāng)由大公司來(lái)牽頭，而不是科研院所’等反對(duì)的聲音。”

他繼續(xù)說(shuō)道，“大公司希望通過(guò) Chiplet 提升良率，然而大公司其實(shí)并不需要標(biāo)準(zhǔn)，它們有足夠的實(shí)力自主開(kāi)發(fā)基于 Chiplet 架構(gòu)的芯片，而這也是我們?cè)谄鸩莺椭贫▏?guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)過(guò)程中才逐漸認(rèn)識(shí)到的問(wèn)題，真正需要 Chiplet 標(biāo)準(zhǔn)幫助降低芯片設(shè)計(jì)門(mén)檻的是小型芯片設(shè)計(jì)公司，以及希望通過(guò) Chiplet 方式去充分利用資源的中等規(guī)模芯片設(shè)計(jì)公司，然而這些中小公司可能并不太受到重視。”

郝沁汾認(rèn)為，“放眼全球，半導(dǎo)體行業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新很大一部分來(lái)自中小公司，相較之下大公司的技術(shù)創(chuàng)新有所局限，更多的是為了尋求穩(wěn)健。所以從這個(gè)角度出發(fā)，若讓大公司來(lái)牽頭 Chiplet 標(biāo)準(zhǔn)的制定，那將會(huì)是偏保守的，為‘求穩(wěn)’而不愿采納創(chuàng)新技術(shù)。”

“既然我們作為科研院所來(lái)牽頭 Chiplet 標(biāo)準(zhǔn)的制定，那就需要融入一些對(duì)創(chuàng)新和未來(lái)的考量，要解決的也并不單純是當(dāng)下的問(wèn)題，重點(diǎn)是如何更好的服務(wù)于中小企業(yè)，終極目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)‘讓天下沒(méi)有難做的芯片’，并以這種方式促成國(guó)內(nèi)芯片設(shè)計(jì)群體的崛起。我覺(jué)得，這是我們科研院所能夠做出的貢獻(xiàn)。”郝沁汾說(shuō)道。

圖｜Chiplet 標(biāo)準(zhǔn)研討會(huì)（來(lái)源：受訪者）

除了國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)，郝沁汾還牽頭了國(guó)際 Chiplet 標(biāo)準(zhǔn)制定。“畢竟技術(shù)無(wú)國(guó)界，圍繞技術(shù)本身我認(rèn)為還需要有一個(gè)全球化的、開(kāi)放的平臺(tái)進(jìn)行交流，而 IEEE 是這樣的平臺(tái)。”郝沁汾說(shuō)道。

據(jù)介紹，IEEE 的 Chiplet 標(biāo)準(zhǔn)（工作組編號(hào) P3468）于今年 3 月立項(xiàng)，5 月在新加坡 2024 國(guó)際電路與系統(tǒng)研討會(huì)（ISCAS 2024）上正式啟動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)制定工作，工作組匯集了全球 170 余位業(yè)內(nèi)專家，預(yù)計(jì) 2027 年完成標(biāo)準(zhǔn)制定。

談及國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)與國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的區(qū)別，郝沁汾表示，“國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)主要圍繞 Chiplet 接口電路對(duì)接的定義層面，而 IEEE 的 Chiplet 標(biāo)準(zhǔn)主要聚焦在接口電路的實(shí)現(xiàn)層面技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化，并考慮兼容多協(xié)議。換句話說(shuō)，從實(shí)現(xiàn)的層面上，是否可以盡可能的多去支持一些現(xiàn)有的 Chiplet 標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)物理電路的實(shí)現(xiàn)去支持多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，這是兩者的區(qū)別所在，而在為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)的過(guò)程中，需要進(jìn)行大量的技術(shù)創(chuàng)新，比如需要更寬頻率的 PLL，這也和現(xiàn)存的 Chiplet 標(biāo)準(zhǔn)主要是規(guī)格的制定有較大區(qū)別。”他指出。

據(jù)悉，11 月 26 日，中國(guó)計(jì)算機(jī)互連技術(shù)聯(lián)盟（CCITA）在無(wú)錫芯光互連技術(shù)研究院舉辦了由 40 余位專家參與的“構(gòu)建芯粒庫(kù)，進(jìn)軍 Chiplet 2.0 時(shí)代”技術(shù)研討會(huì)“，與會(huì)專家齊聚一堂，圍繞如何推動(dòng)“芯粒庫(kù)”的建設(shè)紛紛建言。“若干年后再回顧，也許這一天會(huì)成為 Chiplet 2.0 時(shí)代的起點(diǎn)。”他說(shuō)道。

制定國(guó)內(nèi) Chiplet 標(biāo)準(zhǔn)的意義重大，“國(guó)內(nèi) Chiplet 標(biāo)準(zhǔn)與英特爾牽頭的 UCIe 基本是同期發(fā)布的，但國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)討論的過(guò)程中對(duì)國(guó)內(nèi)企業(yè)有所限制，只有極少數(shù)企業(yè)能夠參與其中，并且也難以全程參與。”他表示。

在郝沁汾看來(lái)，大公司和中小公司存在的價(jià)值不同。“中小公司為創(chuàng)新主體，是創(chuàng)新的發(fā)起者，而大公司的作用更多的是穩(wěn)健地把控某個(gè)領(lǐng)域，中小公司在一些領(lǐng)域發(fā)起創(chuàng)新挑戰(zhàn)，逐漸超越并慢慢成長(zhǎng)為大公司。在中小公司成長(zhǎng)過(guò)程中，我們制定的 Chiplet 標(biāo)準(zhǔn)若能起到助推作用，并通過(guò)這種方式幫助國(guó)內(nèi)的集成設(shè)計(jì)群體崛起，那將是非常有價(jià)值的。”他總結(jié)道。

審核編輯 黃宇