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引言

近年來，計算領域發生了巨大變化，通信已成為系統性能的主要瓶頸，而非計算本身。這一轉變使互連技術 - 即實現計算系統各組件之間數據交換的通道 - 成為計算機架構創新的焦點。本文探討了通用、專用和量子計算系統中芯片和封裝級互連的最新進展，并強調了這一快速發展領域的關鍵技術、挑戰和機遇。

關鍵互連技術

現代互連技術不斷發展，以滿足復雜計算系統日益增長的需求。以下是一些塑造互連技術未來的關鍵技術：

1. 金屬線：傳統的基于銅的互連仍在嵌入式和移動系統中廣泛使用。然而，隨著晶體管尺寸的減小，這些線路面臨著電阻和電容增加的挑戰，導致延遲和功耗增加。

2. 納米光電子技術：光學互連提供高帶寬密度和光速傳播。最近的突破，如世界首個由光學片上網絡（ONoC）驅動的多核系統Hummingbird，展示了這項技術在高性能計算和人工智能應用中的潛力。

圖1：Hummingbird的頂視圖和橫截面視圖，展示了光電子和電子芯片在單個封裝中的集成。

3. 無線技術：無線互連使用射頻信號進行數據傳輸，在靈活性和減少布線復雜性方面具有潛在優勢。雖然尚未在工業中廣泛采用，但研究繼續探索其潛力，特別是在太赫茲范圍內。

4. 2D、2.5D和3D集成：先進的封裝技術，如chiplet、硅通孔（TSV）和硅中介層，實現了半導體器件更高效的集成。這些技術解決了傳統2D擴展的限制，為高性能、節能系統提供了新的可能性。

圖2：通過(a)硅中介層和(b)硅橋互連的兩個芯片的橫截面示意圖，說明了不同的2.5D集成方法。

通用架構中的互連

通用處理器已經發展到包含多核設計和chiplet架構，以提高性能和可擴展性。該領域的主要發展包括：

1. 基于網格的互連：在多核系統中很受歡迎，網格網絡以網格模式連接核心，提供高路徑多樣性和可擴展性。例如英特爾至強處理器和ARM的Neoverse CMN-700。

2. 基于Chiplet的設計：AMD的EPYC處理器使用通過AMD Infinity Fabric互連的chiplet，而英特爾采用超路徑互連（UPI）實現可擴展的多處理器系統。

3. 光學計算互連：英特爾最近的突破，光學計算互連（OCI），將硅基光電子與先進的CMOS技術集成，實現了chiplet之間的高帶寬、低延遲通信。

圖3：英特爾OCI的頂視圖和橫截面視圖，展示了光電子和電子組件的集成。

緩存一致性互連

在多核系統中維護緩存一致性對于在多個緩存中保持一致的內存視圖至關重要。最近的創新包括：

1. 無線緩存一致性：WiDir協議利用無線片上網絡（WiNoC）技術增強多核系統中的緩存一致性。

圖4：WiDir的頂視圖和橫截面視圖，說明了用于緩存一致性的無線天線的集成。

2. 行業標準：ARM的AMBA一致性集線器接口（CHI）和Arteris的Ncore緩存一致性互連為設計高效的緩存一致性系統提供了框架。

安全互連

隨著安全性在現代計算系統中變得越來越關鍵，互連設計正在不斷發展以應對各種威脅：

1. 拒絕服務（DoS）防護：如SECTAR等技術提出動態屏蔽方法，在片上網絡（NoC）環境中隔離硬件特洛伊木馬并重新路由受影響的數據包。

圖5：SECTAR中攻擊及其對策的示意圖，展示了安全NoC路由的概念。

2. 側信道攻擊緩解：實施側信道感知加密、安全通信協議和物理安全措施有助于防止通過互連泄露信息。

專用架構中的互連

為人工智能、機器學習和其他專門應用量身定制的專用架構（DSA）需要創新的互連解決方案：

1. 基于陣列的互連：在深度神經網絡（DNN）加速器中很常見，這些互連實現了高效的數據重用。谷歌的張量處理單元（TPU）使用脈動陣列進行矩陣乘法運算。

2. 基于網格的NoC：Cerebras的晶圓級引擎和Eyeriss-v2采用網格網絡來支持DNN中復雜的通信模式。

3. 可重構互連：如MAERI等設計提供了靈活性，以支持DNN工作負載中的多種數據流。

4. 高帶寬內存（HBM）集成：先進的封裝技術實現了HBM與處理器的集成，顯著提高了內存帶寬和能效。

存內計算（IMC）互連

IMC技術將處理能力集成到內存中，以減少數據移動瓶頸：

交叉開關陣列：用于模擬IMC核心，這些陣列擅長矩陣向量乘法，適用于DNN加速器。

網格網絡：用于互連多個IMC核心，如Mythic的AMP tile所示。

無線封裝內網絡：最近的研究探索了用于互連IMC核心的無線通信，如WHYPE架構所示。

圖6：WHYPE的頂視圖和橫截面視圖，展示了用于互連IMC核心的無線封裝內網絡設計。

量子計算架構中的互連

隨著量子計算的發展，互連在這些系統的擴展中扮演著關鍵角色：

1. 低溫射頻互連：對于控制和讀取量子比特狀態至關重要，隨著量子比特數量的增加，這些互連面臨著布線復雜性和帶寬限制的挑戰。

2. 微波和光子鏈路：用于模塊化多核量子架構中的量子核心互連。

3. 無線低溫互連：最近的研究提出將片上低溫天線與射頻收發器集成，在量子計算封裝內創建靈活、可重構的網絡。

圖7：無線低溫互連在量子計算系統中的愿景，說明了量子處理器封裝內無線通信的概念。

挑戰與機遇

隨著互連技術的不斷進步，出現了幾個挑戰和機遇：

挑戰：

1. 剛性的封裝內網絡（NiP）設計難以滿足多樣化的chiplet互連需求

2. 異構計算系統中的時序和同步問題

3. 各種互連技術中的安全漏洞

4. 基于網格的互連中的高通信延遲

5. 邊緣設備的能源和功率限制

6. 基于IMC的加速器的帶寬限制

7. 擴展量子系統的同時保持量子比特相干性并最小化串擾

機遇：

1. 開發針對特定應用需求的專用互連

2. 探索無線封裝內網絡，實現靈活、高帶寬通信

3. 先進的網絡接口，集成協議適應性和服務質量功能

4. 用于安全互連的輕量級加密和身份驗證協議

5. 可重構互連，支持多樣化數據流和改善資源利用率

6. 近似計算技術，提高性能和能效

7. 利用光電子技術和無線技術的創新量子互連

8. 量子硬件-軟件協同設計方法，優化系統性能

結論

芯片和封裝級互連領域正在快速發展，以滿足現代計算系統的需求。從通用處理器到專用加速器和量子計算機，互連技術正在推動性能、效率和可擴展性的邊界。隨著研究人員和工程師在這一領域不斷創新，可以期待看到更多突破性的發展，塑造計算機架構的未來。

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