【技术】Chiplet模式的简介、对AI硬件发展的影响及面临的挑战

时间： 2021-09-24 来源：矽池半导体

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长期以来，我们看到的芯片通常是通过一套工艺在一个晶圆上完成的。以SoC（System on Chip）芯片为例，苹果最新手机使用的A12芯片集成了6核CPU、4核GPU、8核神经网络处理器，还有ISP、二级缓存、I/O等模块，整个芯片由台积电的7nm工艺制造而成。那么，是否可能像搭积木一样，将不同工艺的芯片模块组装在一起来造芯片呢？这种芯片有哪些优势？本文矽池半导体依次给出答案。

Chiplet模式简介

搭积木造芯片的模式名叫Chiplet（直译为小芯片），它是一类满足特定功能的die，我们称它为模块芯片。Chiplet模式是通过die-to-die内部互联技术将多个模块芯片与底层基础芯片封装在一起，构成多功能的异构System in Packages（SiPs）芯片的模式。Chiplet模式的玩家希望构建一个生态系统，这里有一个丰富的模块芯片库可供选择，集成商根据需求设计芯片架构，自由选择模块芯片交给制造商进行制造和封装。与传统制造流程不同的是，集成商不再是购买IP，而是采购满足整体芯片架构的、即插即用的die，这样的die在工艺上不受其他模块的约束，工艺选择灵活，可以是逻辑的芯片，也可以是模拟芯片。理论上讲，这种技术是一种短周期、低成本的集成第三方芯片（例如I/O、存储芯片、NPU等）的技术。

Chiplet的概念最早来自DARPA的CHIPS项目。根据该项目试图解决的主要问题和愿景来看，Chiplet可以说是一种新的芯片设计模式，要实现chiplet这种新的IP重用模式，首先要具备的技术基础就是先进的芯片集成封装技术。SiP的概念很早就有，把多个硅片封装在一个硅片里也有很久的历史了。但要实现Chiplet这种高灵活度，高性能，低成本的硅片重用愿景，必须要先进的芯片集成技术，比如Intel最近提出的Foveros-3D集成技术。

3D集成技术使我们的芯片规模可以在三维空间发展，而不是传统的限于二维空间。由于在二维空间里，摩尔定律已经很难延续，向三维发展也是一个自然的趋势。此外，这种3D集成技术除了提供更高的计算密度之外，还可以让我们重新考虑系统架构（enabling a complete rethinking of system），这个也就是Chiplet模式给我们带来的各种新的灵活性。3D集成技术根据目前的发展，在未来几年，相关技术会越来越成熟，应该能够为Chiplet模式的普及做好准备。

总得来说，Chiplet模式对于AI硬件的长期发展会有非常正面的影响，主要体现在下面几个方面：

1、工艺选择的灵活性。Chiplet模式的最大优势之一就是一个系统里可以集成多个工艺节点的硅片。这也是chiplet模式可能支持快速开发，降低实现成本的一个重要因素。大家知道，在芯片设计中，对于不同目的和类型的电路，并不是最新的工艺就总是最合适的。在目前的单硅片系统里，系统只能在一个工艺节点上实现。而对于很多功能来说，使用成本高风险大的最新工艺即没有必要又非常困难，比如一些专用加速功能和模拟设计。如果Chiplet模式成立，那么大家在做系统设计的时候则有了更多的选择。对于追求性能极限的模块，比如高性能CPU，可以使用最新工艺。而特殊的功能模块，比如存储器，模拟接口和一些专用加速器，则可以按照需求选择性价比最高的方案。

这一点对于AI芯片的发展是相当有利的。首先，AI加速本身就是一个DSA（专用领域架构），其架构本身就是专门为特定运算定制的，具有很高的效率，即使选择差一两代的工艺，也可以满足很多情况的要求。但目前，大多数这个领域的初创公司，都面临工艺选择的困境。如果选择先进工艺，可能一次投片就耗尽所有投资。如果不选，好像一下就输在了起跑线。如果Chiplet模式成为主流，大家的工艺选择应该可以更加理性，工艺虽不是最新但性价比最好的Chiplet会有更多机会。第二，对于很多可能大幅提升AI运算效率的新兴技术，比如存内计算，模拟计算（包括光计算），它们使用的器件往往只在相对较低的工艺节点比较成熟，和系统的其它部分怎么集成就是个大问题。chiplet模式也可以解决这个问题，则这些技术的开发商可以以chiplet IP的形式提供产品，和其它不同工艺的功能模块集成在一起，而无需受限于Foundry工艺的进展。

2、架构设计的灵活性。以Chiplet构成的系统可以说是一个“超级”异构系统，给传统的异构SoC增加了新的维度，至少包括空间维度和工艺选择的维度。首先，如前所述，先进的集成技术在3D空间的扩展可以极大提高芯片规模。这当然对AI算力的扩展和成本的降低有很大好处。第二，结合前述的工艺灵活性，我们可能在架构设计中有更合理的功能/工艺的权衡，有利于AI SoC或者AIoT芯片更好的适应应用场景的需求。第三，系统的架构设计，特别是功能模块间的互联，有更多优化的空间。在目前的AI芯片架构中，数据流动是主要瓶颈。HBM（也可以看成是一种Chiplet）可以在一定程度上解决处理器和DRAM之间的数据流动问题，但价格还过于昂贵。对于云端AI加速，Host CPU和AI加速芯片之间，以及多片加速芯片之间的互联，目前主要通过PCIe，NvLink，或者直接用SerDes等等。如果是Chiplet方式，则是硅片的互联，带宽，延时和功耗都会有巨大的改善。另外，目前的片上网络NoC是在一个硅片（2D）上的，而未来的NoC则扩展到硅片之间，特别是和Active Interposer结合，就可能成为一个3D网络，其路由，拓扑以及QoS可以有更多优化的空间。

3、商业模式的灵活性。Chiplet模式在传统的IP供应商和芯片供应商之外，提供了一个新的选择：Chiplet硅片供应商。对于目前的AI芯片厂商来说，要么聚焦在AI加速部分，以IP形式或者外接硬件加速芯片的形式提供产品；要么走垂直领域，做集成AI加速功能的SoC。对于前者来说，Chiplet可以提供一个新的产品形式，增加潜在的市场，或者拉长一代产品（工艺）的生命周期。对于一些硅实现能力比较强的厂商来说，也说不定未来会演变成专门做Chiplet的供应商。对后者来说，可以直接集成合适AI chiplet而不是IP（还需要自己做芯片实现），大大节约项目开发的时间。因此，可以预见，AI Chiplet会成为AI硬件重用和集成的重要模式。

Chiplet模式的发展核心在于构建一个丰富的模块芯片库，使它们可以被自由选择，通过先进封装技术集成为复杂的异构系统。其发展目前主要面临四方面挑战：

1、互联标准。首先，设计这样一个异构集成系统需要统一的标准，即die-to-die数据互联标准。为此，英特尔首先提出了高级接口总线（Advanced Interface Bus，AIB）标准。在DARPA的CHIPS项目中，英特尔将AIB标准开放给项目中的企业使用。AIB是一种时钟转发并行数据传输机制，类似于DDR DRAM接口。目前，英特尔免费提供AIB接口许可，以支持广泛的Chiplet生态系统，包括设计方法或服务供应商、代工厂、封装厂和系统供应商。此举将加速AIB标准的快速普及，有望在未来成为类似ARM的AMBA总线的业界标准。

2、封装技术。将多个模块芯片集成在一个SiP中需要高密度的内部互连线。可能的方案有硅interposers技术、硅桥技术和高密度Fan-Out技术，不论采取那种技术，互连线（微凸）尺寸都将变得更小，这要求互连线做到100%的无缺陷。因为互联缺陷可能导致整个SiP芯片不工作。

3、测试技术。作为一个复杂的异构集成系统，保证SiP芯片功能正常比SoC更困难。SoC芯片通常需要采购IP，而目前关于IP的重用方法中，IP的测试和验证已经很成熟，可以保证IP接入系统没有问题。采用Chiplet模式的SiP芯片则不同，它采购或使用的是制造好的die，即裸芯片。这对单个die的良率要求非常高，因为在SiP中一个die的功能影响了整体性能，一旦出了问题损失巨大。同时在die设计中还需要植入满足SiP芯片的测试协议。而对于SiP芯片，由于管脚有限，如何单独测试每个die的性能和整体SiP的性能也是一个难点。

4、开发工具。上面提到的三个技术挑战，都需要软件工具的支持，对于EDA工具带来巨大的需求。例如在芯片设计中，30%-40%的成本是工具软件。DARPA的 CHIPS项目中一个工作重点就是设计工具。Chiplet技术需要EDA工具从架构探索，到芯片实现，甚至到物理设计提供全面支持。

总而言之，Chiplet模式面向未来AI等各种应用场景的前景非常广阔，但首先需要解决好目前遇到的现实问题。随着技术越来越成熟，Chiplet在未来的5-10年大概率是半导体领域内巨大的商业机会。