Chiplets的主導地位才剛剛開始。

Chiplets已經使用了幾十年，但它們之前一直被用于少量特殊的用途。現在，它們處于技術的最前沿，全世界有數百萬人在臺式電腦、工作站和服務器中使用它們。 處理器行業領導者利用Chiplets重新站在了創新的最前沿，可以預見未來Chiplets將成為計算世界的標準之一。因此，有必要了解Chiplets以及它們如此重要的確切原因。 ?

什么是Chiplets？ ?

Chiplets是分隔式的處理器。不是將每個部分合并到一個芯片中（被稱為單片機的方法），而是將特定的部分作為獨立的芯片來制造。

然后，這些獨立的芯片通過一個復雜的連接系統被安裝在一起，成為一個單一的封裝。 這種安排使能夠讓使用最新的制造方法的部件尺寸縮小，提高了工藝的效率，使其能夠裝入更多的部件。

芯片中不能明顯縮小或不需要縮小的部分可以用更舊的、更經濟的方法生產。

雖然制造這種處理器的過程很復雜，但總體成本通常較低。此外，它為處理器公司提供了一個更易于管理的途徑來擴大其產品范圍。

為了充分理解為什么處理器制造商轉向芯片，我們必須首先深入了解這些設備是如何制造的。

CPU和GPU開始時是由超純硅制成的大圓盤，通常直徑略小于12英寸（300毫米），厚度為0.04英寸（1毫米）。

這塊硅片經歷了一系列復雜的步驟，形成了不同材料的多層--絕緣體、電介質和金屬。這些層的圖案是通過一種叫做光刻的工藝創建的，在這種工藝中，紫外線通過放大的圖案（掩膜）照射，隨后通過透鏡縮小到所需的尺寸。該圖案以設定的間隔在晶圓表面重復出現，每一個都將最終成為一個處理器。

由于芯片是長方形的，而晶圓是圓形的，圖案必須與圓盤的周邊重疊。這些重疊的部分最終會被丟棄，因為它們是無功能的。

一旦完成，將使用應用于每個芯片的探針對晶圓進行測試。電檢結果告知工程師關于處理器的質量與一長串標準的關系。這個初始階段被稱為芯片分選，有助于確定處理器的 "等級"。

例如，如果該芯片打算成為一個CPU，那么每個部分都應該正確運作，在特定的電壓下在設定的時鐘速度范圍內運行。然后根據這些測試結果對每個晶圓部分進行分類。

完成后，晶圓被切割成單獨的碎片，或稱 "模具"，可供使用。然后，這些模具被安裝在一個基板上，類似于一個專門的主板。

處理器經過進一步的包裝（例如，用散熱器），然后就可以進行銷售了。整個過程可能需要數周的制造時間，臺積電和三星等公司對每個晶圓收取高額費用，根據所使用的工藝節點，費用在3000至20000美元之間。 "工藝節點 "（Process node）是用來描述整個制造系統的術語。歷史上，它們是以晶體管的柵極長度命名的。

然而，隨著制造技術的改進，允許越來越小的組件，命名不再遵循芯片的物理方面，現在它只是一個營銷工具。然而，每一個新的工藝節點都會帶來比前者更多的好處。

它的生產成本可能更低，在相同的時鐘速度下消耗更少的功率（或者相反），或者具有更高的密度。后者衡量的是在一個給定的芯片區域內可以容納多少元件。

在下圖中，你可以看到這些年來GPU（你在PC中發現的最大和最復雜的芯片）的發展情況。



工藝節點的改進為工程師提供了提高其產品能力和性能的手段，而不必使用大而昂貴的芯片。

然而，上圖只說明了部分情況，因為不是處理器的每個方面都能從這些進步中受益。芯片內的電路可以被分配到以下幾大類中的一類：

（1）邏輯，處理數據、數學和決策；

（2）存儲器，通常是SRAM，用于存儲邏輯的數據；

（3）模擬 ，管理芯片和其他設備之間信號的電路。

當邏輯電路隨著工藝節點技術的每一次重大進步而繼續縮小時，模擬電路幾乎沒有變化，SRAM也開始達到極限。



雖然邏輯仍然構成了芯片的最大部分，但今天的CPU和GPU中的SRAM數量在近年來有了顯著增長。

例如，AMD在其Radeon VII顯卡中使用的Vega 20芯片的L1和L2緩存合計為5MB。僅僅兩代GPU之后，Navi 21就有超過130MB的各種緩存--比Vega 20多了25倍，令人矚目。

可以預期，隨著新一代處理器的開發，這些水平將繼續提高，但由于存儲器的規模沒有像邏輯那樣縮小，在同一工藝節點上制造所有電路的成本效益將越來越低。

在一個理想的世界里，人們在設計芯片時，模擬部分在最大和最便宜的節點上制造，SRAM部分在更小的節點上制造，而邏輯部分則保留給絕對尖端的技術。

不幸的是，這在實踐中是無法實現的。然而，存在一種替代方法。

?分而治之

早在1995年，英特爾推出了其原始P5處理器的繼任者--奔騰II。它與當時的常規產品不同的是，在塑料外殼下有一塊電路板，里面有兩個芯片：主芯片，包含所有的處理邏輯和模擬系統，以及一個或兩個獨立的SRAM模塊，作為二級緩存。

英特爾公司生產主芯片，但緩存來自其他公司。在20世紀90年代中后期，這將成為臺式電腦的相當標準，直到半導體制造技術改進到可以將邏輯、內存和模擬全部集成到同一芯片中。

雖然英特爾繼續嘗試在同一封裝中使用多個芯片，但它在很大程度上堅持了所謂的處理器單片（monolithic）方法（即一個芯片用于一切）。

對于大多數處理器來說，不需要超過一個芯片，因為制造技術已經足夠熟練（而且價格低廉），可以保持簡單直接。然而，其他公司對遵循多芯片方法更感興趣，最引人注目的是IBM。2004年，IBM提供了8芯片版本的POWER4服務器CPU，它由四個處理器和四個緩存模塊組成，都安裝在同一個機身內（稱為多芯片模塊或MCM方法）。

大約在這個時候，"異質集成"一詞開始出現，部分原因是DARPA（國防高級研究計劃局）所做的研究工作。異質集成的目的是將處理系統的各個部分分開，在最適合每個部分的節點上單獨制造，然后將它們合并到同一個包中。 今天，這被稱為系統級封裝（SiP），從一開始就是為智能手表配備芯片的標準方法。

例如，第1代的Apple Watch在單一結構中裝有一個CPU、一些DRAM和NAND閃存、多個控制器和其他組件。

通過將不同的系統全部放在單個芯片上（稱為片上系統或SoC），可以實現類似的效果。但是，這種方法不允許利用不同的節點價格，也不能以這種方式制造每個組件。

對于技術供應商來說，對利基產品使用異構集成是一回事，但將其用于其大部分產品組合則是另一回事。這正是AMD對其處理器系列所做的。2017年，這家半導體巨頭以單芯片Ryzen桌面CPU的形式發布了其Zen架構。幾個月后，兩條多芯片產品線Threadripper和EPYC首次亮相，后者擁有多達四個芯片。

隨著兩年后Zen 2的推出，AMD完全接受了異質集成，MCM，SiP 。他們將大部分模擬系統移出處理器，并將它們放入單獨的芯片中。這些是在更簡單、更便宜的工藝節點上制造的，而更高級的流程節點則用于剩余的邏輯和緩存。 自此，Chiplets成為流行。

?越小越好 ?

為了準確理解AMD為什么選擇這個方向，我們來看看下面的圖片。它展示了Ryzen 5系列的兩款CPU，左邊是采用所謂Zen+架構的2600，右邊是由Zen 2驅動的3600。兩種型號的散熱器都已被拆除，照片是用紅外相機拍攝的。2600的單芯片容納了八個核心，盡管其中兩個核心在這個特定的模型中被禁用。

這也是3600的情況，但在這里我們可以看到，封裝中有兩個模具--頂部的Core Complex Die（CCD），容納了核心和緩存，底部的Input/Output Die（IOD）包含所有控制器（用于內存、PCI Express、USB等）和物理接口。 由于這兩顆Ryzen CPU都適用于同一個主板插座，這兩張圖片基本上是按比例繪制的。

從表面上看，3600的兩個芯片似乎比2600的單個芯片有更大的綜合面積，但外表可能是欺騙性的。 如果我們直接比較包含核心的芯片，很明顯可以看到舊型號中模擬電路所占用的空間（圍繞著金色的核心和緩存的藍綠顏色）。然而，在Zen 2 CCD中，用于模擬系統的芯片面積很少；它幾乎完全由邏輯和SRAM組成。

Zen+芯片的面積為213平方毫米，由GlobalFoundries使用其12納米工藝節點制造。對于Zen 2，AMD保留了GlobalFoundries對125平方毫米IOD的服務，但在73平方毫米的CCD上使用了臺積電的N7節點。

Zen+ (上)vs Zen 2 CCD (下) 較新型號的芯片的綜合面積更小，而且它還擁有兩倍的L3緩存，支持更快的內存和PCI Express。然而，Chiplets方法最好的部分是，CCD的緊湊尺寸使AMD有可能將另一個CCD裝入包裝。這一發展催生了Ryzen 9系列，為臺式電腦提供12和16核型號。更重要的是，通過使用兩個較小的芯片而不是一個大的芯片，每個晶圓可能會產生更多的芯片。

就Zen 2 CCD而言，一塊12英寸（300毫米）的晶圓可以比Zen+型號多生產85%的芯片。 從晶圓上取下的切片越小，就越不可能發現制造缺陷（因為它們往往是隨機分布在光盤上的），所以考慮到所有這些，Chiplets不僅使AMD有能力擴大其產品組合，而且成本效益更高。相同的CCD可用于多個型號，每個晶圓可生產數百個。 但是，如果這種設計選擇如此有優勢，為什么英特爾不這樣做呢？為什么我們沒有看到它被用于其他處理器，如GPU？

?跟隨潮流

為了解決第一個問題，英特爾確實在采用全芯片路線，而且它的下一個消費者CPU架構（Meteor Lake）也將這樣做。英特爾的方法有些獨特，讓我們來看看它與AMD的方法有何不同。 這一代處理器使用 "區塊（tile）"一詞而不是 "芯片"，將以前的單片式設計分割成四個獨立的芯片：（1）計算區塊：包含所有的內核和二級緩存；（2）GFX區塊：容納集成GPU；（3）SOC區塊：整合了L3高速緩存、PCI Express和其他控制器；（4）IO區塊：容納內存和其他設備的物理接口。

在SOC和其他三個區塊之間存在高速、低延遲的連接，并且所有這些區塊都與另一個被稱為插板的芯片相連。這個插板為每個芯片提供電源，并包含它們之間的導線。然后，插板和四塊區塊被安裝到另一塊板上，以便將整個組件封裝起來。

與英特爾不同，AMD不使用任何特殊的安裝模具，而是有自己獨特的連接系統，被稱為Infinity Fabric，以處理芯片數據交易。電源傳輸通過一個相當標準的封裝運行，而且AMD還使用較少的芯片。那么，為什么英特爾的設計是這樣的呢？ AMD的方法的一個挑戰是，它不太適合超移動、低功耗領域。

這就是為什么AMD在該領域仍然使用單片式CPU。英特爾的設計允許他們混合和匹配不同的區塊以滿足特定的需求。例如，經濟型筆記本電腦的預算型號可以到處使用小得多的芯片，而AMD只有一種尺寸的芯片用于每種用途。 英特爾系統的缺點是生產復雜且昂貴，盡管現在預測這將如何影響零售價格還為時尚早。然而，兩家CPU公司都完全致力于芯片的概念。一旦制造鏈的每一部分都圍繞它進行設計，成本就會降低。



關于GPU，與芯片的其他部分相比，它們包含的模擬電路相對較少，但里面的SRAM數量正在穩步增加。

這就是為什么AMD將其芯片知識應用于其最新的Radeon 7000系列，Radeon RX 7900 GPU包括多個芯片--一個用于核心和二級緩存的大芯片，以及五六個Chiplets，每個芯片包含一片L3緩存和一個內存控制器。

通過將這些部件移出主芯片，工程師們能夠大大增加邏輯數量，而不需要使用最新的工藝節點來控制芯片尺寸。然而，這一變化并沒有增強圖形組合的廣度，盡管它可能確實有助于改善整體成本。

目前，英特爾和英偉達在其GPU設計方面沒有顯示出跟隨AMD的跡象。

兩家公司都使用臺積電承擔所有的制造任務，似乎滿足于生產極其龐大的芯片，將成本轉嫁給消費者。

隨著圖形領域的收入穩步下降，可能會在未來幾年內看到每個GPU供應商都采用同樣的路線。

用Chiplets實現摩爾定律

盡管在半導體制造方面取得了巨大的技術進步，但每個部件可以縮小的程度是有明確限制的。為了繼續提高芯片的性能，工程師們基本上有兩個途徑：增加更多的邏輯，用必要的內存來支持它，以及提高內部時鐘速度。關于后者，一般的CPU在這方面已經多年沒有明顯的變化了。

AMD的FX-9590處理器，從2013年開始，在某些工作負載中可以達到5GHz，而其當前型號的最高時鐘速度是5.7GHz（Ryzen 9 7950X）。

英特爾最近推出了酷睿i9-13900KS，在合適的條件下能夠達到6GHz，但其大多數型號的時鐘速度與AMD的相近。 然而，改變的是電路和SRAM的數量。前面提到的FX-9590有8個核心（和8個線程）和8MB的L3緩存，而7950X3D擁有16個核心、32個線程和128MB的L3緩存。

英特爾的CPU在核心和SRAM方面也有類似的擴展。 Nvidia的第一個統一著色器GPU，即2006年的G80，由6.81億個晶體管、128個內核和96 kB的二級緩存組成，其芯片面積為484 mm2。快進到2022年，當AD102推出時，它現在由763億個晶體管、18432個內核和98304 kB的二級緩存組成，芯片面積為608 mm2。

1965年，飛兆半導體公司的聯合創始人戈登·摩爾（Gordon Moore）觀察到，在芯片制造的早期，在固定的最低生產成本下，芯片內的元件密度每年都在翻番。這一觀察被稱為摩爾定律，后來根據制造趨勢，被解釋為 "芯片中的晶體管數量每兩年翻一番"。

近六十年來，摩爾定律一直是對半導體行業發展進程的合理準確描述。CPU和GPU在邏輯和內存方面的巨大進步是通過工藝節點的不斷改進實現的，這些年來，組件變得越來越小。然而，這種趨勢不可能永遠持續下去，無論出現什么新技術。

像AMD和英特爾這樣的公司并沒有等待這個極限的到來，而是轉向了Chiplets，探索它們的各種組合方式，以繼續在創造更強大的處理器方面取得進展。

幾十年后的今天，普通的個人電腦可能是由手掌大小的CPU和GPU組成的，但是剝開散熱片，你會發現有許多微小的芯片--不是三四個，而是幾十個，都巧妙地拼接和堆疊在一起。

Chiplets的主導地位才剛剛開始。?





審核編輯：劉清