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論多芯片系統(tǒng),半導體行業(yè)不僅在談論它們——多芯片系統(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體世界,即將到來的 2023 年似乎是一個轉折點。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。先進的機器人技術現(xiàn)在可以生產(chǎn)商品或進行手術。我們的設備和系統(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)的設計開始預計在未來幾年內(nèi)將顯著增長。在不久的將來,這種架構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。移動領域的芯片設計人員也在進行多芯片系統(tǒng)設計,利用 PPA 的優(yōu)勢為其空間受限的設備設計。
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。汽車芯片設計人員也在采用多芯片系統(tǒng)(例如用于 AI 模型訓練的 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。現(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,它們正在所有應用領域中推廣。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)更廣泛的采用至關重要。雖然AMD、亞馬遜網(wǎng)絡服務、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可用于支持多芯片系統(tǒng)。外包半導體組裝和測試 (OSAT) 供應商是制造供應鏈中的其他參與者,提供多芯片封裝所需的技術。事實上,封裝領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用。
另一種正在取得長足發(fā)展的技術是硅光子學,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)的轉折點,那么 2023 年將是這些架構真正騰飛的一年。一些設計團隊可能會發(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用程序?qū)崿F(xiàn)更高水平的性能。
編輯:黃飛
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原文標題:多芯片系統(tǒng)的轉折點
文章出處:【微信號:ICViews,微信公眾號:半導體產(chǎn)業(yè)縱橫】歡迎添加關注!文章轉載請注明出處。
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