原創(chuàng) Lee 問芯

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)點向 3nm、2nm 演進，量子隧穿效應(yīng)、短溝道效應(yīng)等帶來的漏電、發(fā)熱等問題愈發(fā)嚴重，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。

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

圍繞 Chiplet 技術(shù)，標準化有助于更快形成設(shè)計生態(tài)，進一步推動 chiplet 技術(shù)廣泛應(yīng)用，并推動產(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，「問芯」專訪了國內(nèi)和 IEEE Chiplet 標準制訂牽頭人、中國科學院計算技術(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、未來趨勢，以及 Chiplet 技術(shù)標準制訂等多個方面進行了分享和解讀。

圖｜中國科學院計算技術(shù)研究所郝沁汾研究員（來源：受訪者）

2001 年，郝沁汾博士畢業(yè)于中國科學院計算技術(shù)研究所計算機系統(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、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)計和研究工作。此外，他還是中國和 IEEE Chiplet 技術(shù)標準的主要發(fā)起人和起草人，曾參與過多項國家級科研項目，在國內(nèi)外學術(shù)會議及核心刊物上發(fā)表學術(shù)文章 50 余篇，申請國內(nèi)外發(fā)明專利 100 余項。

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

“Chiplet 作為新的設(shè)計方法學可加速芯片設(shè)計”

Chiplet 的設(shè)計理念最早可追溯至上世紀 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，“任何一個先進技術(shù)概念誕生之初都存在時代局限性，當時技術(shù)基礎(chǔ)可能并不完備，比如缺乏應(yīng)用需求、標準、功能芯粒、EDA 工具等，所以長期停留在概念層面?！?/p>

之所以 Chiplet 在近幾年變得業(yè)界矚目，他認為有兩方面的因素：其一，先進工藝制程達到物理極限；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)計芯片，或者降低芯片設(shè)計的門檻，尤其在面向業(yè)務(wù)的芯片設(shè)計方面。

具體而言，“首先，是先進工藝制程發(fā)展面臨瓶頸，晶體管密度達到物理極限，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)是通過擴展面積從而實現(xiàn)性能繼續(xù)提升。其次，即使不采用先進工藝，如今的芯片面積越來越大，對良率造成影響，Chiplet 技術(shù)依然可以用來提升大算力芯片的良率，而由于面積較小，IoT 等芯片對良率不敏感，但種類繁多，IoT 芯片設(shè)計公司更側(cè)重芯片設(shè)計效率，多方面因素讓 Chiplet 變得非常熱門?！焙虑叻诮忉尩馈?/p>

與此同時，就國內(nèi)而言，先進工藝發(fā)展與國際層面存在差距，在工藝相對落后的情況下，通過 Chiplet 開發(fā)芯片也是一種切實可行的策略?！安捎?Chiplet 方式開發(fā)的芯片，在功能和性能方面接近采用先進工藝開發(fā)的芯片，或許芯片的功耗、面積會稍大，但在一些對功耗、面積不敏感的場景是較好的解決方案?！彼硎?。

圖｜Chiplet 技術(shù)示意（來源：受訪者）

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

“在 1.0 階段，Chiplet 技術(shù)的開發(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題?！彼赋?。隨著 SoC 面積的增大，如果繼續(xù)沿用傳統(tǒng)單芯片的設(shè)計方案，那么芯片面積會越來越大，良率會逐漸下降，進而導致成本增加，所以大型芯片企業(yè)采用 Chiplet 的設(shè)計方式來解決生產(chǎn)良率問題。

“在 2.0 階段，則主要是為了解決芯片設(shè)計效率問題?！彼硎尽ＴO(shè)計大芯片的企業(yè)關(guān)心良率，而設(shè)計中小芯片的公司（如 IoT 芯片設(shè)計企業(yè)）側(cè)重的是芯片開發(fā)的門檻問題，即如何找到一種更高效的方法去設(shè)計開發(fā)芯片，這是中小芯片設(shè)計公司面臨的主要訴求。

不同于傳統(tǒng)單芯片的設(shè)計模式，Chiplet 將“大芯片拆分為小芯片”進行生產(chǎn)并集成封裝?！癈hiplet 的本質(zhì)其實是一種‘分開設(shè)計’的模式，小公司若要加速芯片的設(shè)計效率，采用 Chiplet 方式能起到較好的效果。”郝沁汾說道。

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

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)計公司的訴求并沒有得到業(yè)界充分關(guān)注，而大公司采用 Chiplet 設(shè)計芯片其實不需要技術(shù)標準，因為自己設(shè)計的芯粒進行對接并不需要標準，比如英特爾并沒有通過 UCIe 協(xié)議和任何第三方芯粒對接，UCIe 更多的是作為開放給業(yè)界的一種芯粒接口標準，但由于設(shè)計極其復雜（如狀態(tài)機等），并不一定適合所有的芯片種類。因此，究竟誰該來用‘Chiplet 技術(shù)標準’，我覺得現(xiàn)階段是存在誤區(qū)的?！焙虑叻谥赋觥?/p>

“另一方面，目前‘芯粒庫’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?！彼f道。

市場層面，郝沁汾表示，“很大程度上，Chiplet 可以說是一種不得不用的設(shè)計方法，幾乎所有的芯片相關(guān)公司開發(fā)下一代芯片都有嘗試和探索這種方法，因此，其市場規(guī)模將會逐步增長?！?/p>

“需要注意的是，其實 Chiplet 并不是脫離于當前集成電路行業(yè)的一個新的獨立市場，而是基于現(xiàn)有集成電路市場上的一種新的設(shè)計方法學，即在原有集成電路產(chǎn)業(yè)上疊加的一個技術(shù)，而疊加了 Chiplet 以后的集成電路行業(yè)也就變成 Chiplet 的市場?！彼f道。

“終極目標是‘讓天下沒有難設(shè)計的芯片’”

2021 年 5 月，中國計算機互連技術(shù)聯(lián)盟（CCITA）在中國電子工業(yè)標準化技術(shù)協(xié)會立項了 Chiplet 技術(shù)標準《小芯片接口總線技術(shù)要求》，作為中國 Chiplet 技術(shù)標準的主要發(fā)起人和起草人，郝沁汾坦言，“國內(nèi) Chiplet 標準制定的挑戰(zhàn)性很大，而且后期面臨的挑戰(zhàn)還會越來越大。比如，在 Chiplet 標準制定過程中我也曾聽到一些諸如‘標準的制定應(yīng)當由大公司來牽頭，而不是科研院所’等反對的聲音?！?/p>

他繼續(xù)說道，“大公司希望通過 Chiplet 提升良率，然而大公司其實并不需要標準，它們有足夠的實力自主開發(fā)基于 Chiplet 架構(gòu)的芯片，而這也是我們在起草和制定國內(nèi)標準過程中才逐漸認識到的問題，真正需要 Chiplet 標準幫助降低芯片設(shè)計門檻的是小型芯片設(shè)計公司，以及希望通過 Chiplet 方式去充分利用資源的中等規(guī)模芯片設(shè)計公司，然而這些中小公司可能并不太受到重視?！?/p>

郝沁汾認為，“放眼全球，半導體行業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新很大一部分來自中小公司，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。所以從這個角度出發(fā)，若讓大公司來牽頭 Chiplet 標準的制定，那將會是偏保守的，為‘求穩(wěn)’而不愿采納創(chuàng)新技術(shù)?！?/p>

“既然我們作為科研院所來牽頭 Chiplet 標準的制定，那就需要融入一些對創(chuàng)新和未來的考量，要解決的也并不單純是當下的問題，重點是如何更好的服務(wù)于中小企業(yè)，終極目標是實現(xiàn)‘讓天下沒有難做的芯片’，并以這種方式促成國內(nèi)芯片設(shè)計群體的崛起。我覺得，這是我們科研院所能夠做出的貢獻?！焙虑叻谡f道。

圖｜Chiplet 標準研討會（來源：受訪者）

除了國內(nèi)標準，郝沁汾還牽頭了國際 Chiplet 標準制定?！爱吘辜夹g(shù)無國界，圍繞技術(shù)本身我認為還需要有一個全球化的、開放的平臺進行交流，而 IEEE 是這樣的平臺?！焙虑叻谡f道。

據(jù)介紹，IEEE 的 Chiplet 標準（工作組編號 P3468）于今年 3 月立項，5 月在新加坡 2024 國際電路與系統(tǒng)研討會（ISCAS 2024）上正式啟動標準制定工作，工作組匯集了全球 170 余位業(yè)內(nèi)專家，預計 2027 年完成標準制定。

談及國際標準與國內(nèi)標準的區(qū)別，郝沁汾表示，“國內(nèi)標準主要圍繞 Chiplet 接口電路對接的定義層面，而 IEEE 的 Chiplet 標準主要聚焦在接口電路的實現(xiàn)層面技術(shù)的標準化，并考慮兼容多協(xié)議。換句話說，從實現(xiàn)的層面上，是否可以盡可能的多去支持一些現(xiàn)有的 Chiplet 標準。通過一個標準物理電路的實現(xiàn)去支持多個標準，這是兩者的區(qū)別所在，而在為了實現(xiàn)這個目標的過程中，需要進行大量的技術(shù)創(chuàng)新，比如需要更寬頻率的 PLL，這也和現(xiàn)存的 Chiplet 標準主要是規(guī)格的制定有較大區(qū)別?！彼赋?。

據(jù)悉，11 月 26 日，中國計算機互連技術(shù)聯(lián)盟（CCITA）在無錫芯光互連技術(shù)研究院舉辦了由 40 余位專家參與的“構(gòu)建芯粒庫，進軍 Chiplet 2.0 時代”技術(shù)研討會“，與會專家齊聚一堂，圍繞如何推動“芯粒庫”的建設(shè)紛紛建言?！叭舾赡旰笤倩仡?，也許這一天會成為 Chiplet 2.0 時代的起點?！彼f道。

制定國內(nèi) Chiplet 標準的意義重大，“國內(nèi) Chiplet 標準與英特爾牽頭的 UCIe 基本是同期發(fā)布的，但國外標準討論的過程中對國內(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，大公司和中小公司存在的價值不同。“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為大公司。在中小公司成長過程中，我們制定的 Chiplet 標準若能起到助推作用，并通過這種方式幫助國內(nèi)的集成設(shè)計群體崛起，那將是非常有價值的?！彼偨Y(jié)道。

審核編輯 黃宇