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芯片制程之战:超异构突围?

发布时间:2022-05-28作者来源:萨科微浏览:528


 

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Intel: Meteor Lake Chiplet SoC Up and Running


说到芯片领域的动态,最近一个月内,先是英特尔在4月宣布其第一款采用Chiplet设计的大众SoC“Meteor Lake” 完成通电测试。不过一个月以后,AMD公布其正在计划加快CPU及GPU规格迭代,将全面导入Chiplet设计,以提高核心数量及运算速度,此外,其新一代5nm Zen 4架构将采用Chiplet设计。这一波超异构、Chiplet浪潮的掀起,不仅将对英特尔和AMD产生深远的影响,还冲击了整个半导体行业。



01先进制程:诸神之战,凡人莫及

芯片苦于制程久矣。近日,台积电宣布开发1.4纳米工艺,晶体管尺寸逼近字面意义上的物理极限。不断烧钱死磕制程的路线难以为继,已成了行业公认的事实,原因有三:第一,性能极限:通过先进制程微缩对芯片性能的提升覆盖面有限;第二,技术极限:纳米级的晶体管集成度和精细化程度非常高,引发了短沟道效应和量子隧穿难题;当然,还有最核心成本极限:


摩尔定律从技术上讲或许还能继续,但从经济角度讲,这是行不通的。


                                                                            --半导体行业分析师Douglas O’laughlin




从制造成本、设计成本再到量产成本,随着半导体行业向更小的工艺节点迁移,先进制程芯片的成本陡然剧增。到了5nm以下,建造一座先进制程的晶圆厂动辄需要上百亿美元的投入,让大部分的企业望洋兴叹。如今,纵观全球的晶圆代工厂,实际有能力生产5nm以下芯片制程的企业仅剩三家:Intel,TSMC,Samsung,而芯片巨头如联电、格罗方德都已几乎放弃了先进制程的研究。先进制程的赛道已成“诸神之战,凡人莫及”,对行业生态发展造成了极大的制约。


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Chiplet Meets The Real World -- Benefits and Limits of Chiplet Designs ” (Source:AMD)


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FinFET时代玩家仅剩英特尔、台积电、三星(Source: Yole Développement)



02制程越小,性能真的越高?


先进制程可以理解为同样功耗、尺寸下可以获得更好的性能。那么,真的是制程越小,芯片就越好吗?从应用领域划分,芯片可分为民用级,工业级和军用级。我们通常所说的先进制程芯片,往往应用于如手机、平板、电脑等民用级产品,而工业级和军用级芯片,甚至民用级的车规级芯片,对芯片的制程要求远没有那么苛刻。举例来说,运载火箭拉着核弹头起飞,要求命中一万公里外的目标,其所搭载的芯片是10nm还是40nm关系不大,反而更需要关注芯片在各类极端环境下的可靠性和耐久度。

从芯片的结构功能出发,先进制程对芯片性能的提升,所能惠及的芯片类别主要为逻辑芯片,而非逻辑芯片(如存储、模拟)在平面上的微缩,所带来的成本优势从多年前就开始减弱:

世界半导体贸易统计组织(WSTS)将所有半导体按照结构功能划分为集成电路、分立器件、光电子器件与传感器四类:

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逻辑芯片:人类芯片科技的皇冠,制作工艺复杂,如CPU、GPU、AI、MCU。受益于先进制程技术的进步,逻辑芯片依然沿着摩尔定律向前演进,现在已经5nm产线已经量产,3nm已排上日程。


存储芯片:与逻辑芯片相比,内部结构相对简单,主要分为DRAM、NAND Flash、NORFlash三类。以DRAM为例,当制程到了18/16nm以下,继续缩减尺寸已不再具备成本和性能方面的优势。



模拟芯片:我们的一切感知都可以归结到模拟世界,参与这些信息处理的芯片就是模拟芯片;我们无法感知,但客观存在的模拟信号处理芯片,比如微波,电信号处理芯片等,也属于模拟范畴。模拟芯片不受制于摩尔定律和高端制程,强调高信噪比、低失真、低耗电、高可靠性和稳定性,业界普遍认为28nm~65nm为其性能最优节点,制程的缩小反而可能导致模拟电路性能的降低;而被广泛地应用在IoT领域的传感器和光电器件,则因为工艺不同,无法集成到CMOS中。


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Limited and Divergent Scale Factors(Source: AMD)


综上所述,先进制程虽好,但其适用范围也有局限性,特别是在同一个制程上安排不同类型的芯片,为芯片设计带来了更多的挑战。那么,进入3nm及以下工艺,要如何继续提升各类芯片性能? 种种迹象都指向了“超异构计算”。



03超异构计算,何以为“超”

要了解超异构,首先要理解什么是异构。从字面意思来看,异构就是同构的反义词,即“不同的架构或者结构”。用核酸测试举例,十个大白同去一个街道给居民们测核酸,计划每人负责十分之一的居民,这就是同构。但是在执行过程中,大白发现,居民们的情况不同,有些楼栋有阳性患者,需要上门检测;有些居民不积极,需要多次催促;有些居民腿脚不便,需要专人搀扶;此外,还有核酸码扫描、登记,发放抗原试剂等工作。于是,大白们根据实际需求重新划分了工作职责,进行人员的安排和工作的优先级划分,如阳性楼栋最后采样,从而最大限度地提高工作效率,这就是异构。


而“超异构计算”,则在于超过了异构计算的瓶颈,它可以把很多现有的、不同节点上已经验证过的晶片集成在一个封装里(经过协调,大白和来自其他地区的民警、居委会人员、甚至外省支援的人员,共同应对情况复杂的街道)。超异构计算在传统的异构计算基础上,通过更强大的模块化Chiplet能力,封装互连能力和软件能力,将越来越复杂的系统整合成了宏系统芯片MSOC(Macro-System on Chip)。

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Source: 2021 Architecture Day


如今,基于超异构计算的架构创新正在成为芯片巨头们的未来驱动力。通过一连串的收购和自研行为,全球三大处理器头部厂商都在向CPU+GPU+FPGA/NPU的方向靠拢,构建超异构计算体系。


NVIDIA拟收购 Arm,其目的在于增强其服务器CPU能力,虽然最终未能收购成功,NVIDIA仍获得了未来10年Arm开发授权。

AMD对赛灵思的收购,也释放出强化异构计算布局的信号,成功弥补了FPGA短板。同时,赛灵思在异构计算上也有所积累,已推出Versal ACAP异构计算平台,以缩短车载多传感器同步和融合所带来的系统整体响应时间。冥冥之中,超异构计算时代已起飞。



03Chiplet,超异构未来驱动力

在“超异构”的三大核心能力中,被通俗地解释为 “乐高积木” 的Chiplet技术,被视为“超异构”的关键驱动力。这正是AMD在新一代5nm Zen 4架构中采用,并与台积电联合研发的用于CPU封装的技术。与传统芯片设计方式相比,Chiplet具有迭代周期快,成本低,良率高等一系列优势:


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Intel Ponte Vecchio Suspended


1

降低芯片成本

SoC设计的一大难题是,不同的模块对制程的敏感度不同,如模拟电路、大功率 I/Os 、射频等对制程不敏感,没有使用高端制程的必要。所以,如果可以将像搭积木一样制造芯片,针对功能选择合适的制程,不但能让芯片尺寸变得更小,还可以提高良率,降低制造成本,实现性能最大化;此外,基于 Chiplet 设计的SoC 还可对外采购具备特定功能的裸片,以节省自身的开发和验证成本。

2

缩减芯片开发周期

与从0开始开发一款 SoC 相比,Chiplet 能大幅缩减芯片开发周期,帮助芯片公司尽快推出产品,赢得竞争优势和市场份额。

3

提升设计灵活性

通过3D高密度互联技术,对连接到底层逻辑芯片的模块芯片在原则上没有限制。厂商可以根据模块的特点,选择性价比最高的工艺节点进行制造,提升芯片设计的灵活性。同时,通过3D高密度集成,Chiplet 能帮助增加芯片核心单元面积,提高单芯片算力。

4

拓宽下游市场

由于目前的芯片下游市场高度细分,很多细分市场的终端出货量不足以支撑 SoC 高昂的 Mask 成本,芯片设计公司只会针对下游出货量较大(如智能手机)或利润较高的市场。而基于 Chiplet 的设计,可以让芯片设计公司针对规模适中的市场(智能汽车/服务器等)以较低的成本开发出高性能的解决方案,扩宽了下游市场。


04Chiple行业生态

目前,全球芯片行业的各头部公司都在探索chiplet的研发应用,其行业生态也在逐渐形成。




今年3月,全球芯片头部制造企业Intel、AMD、ARM、Google Cloud、Meta、Microsoft、Qualcomm、Samsung、TSMC等联合宣布成立Chiplet联盟,并推出了一个全新的通用芯片互连标准(UCle),该组织发布了一种新的开放式芯片间互连规范,使芯粒能够在封装中相互通信。借助UCIe平台,巨头们将打造更加完整的Chiplet生态系统,并呼吁更多半导体企业的加入。




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以Chiplet为核心的技术方案,正成为行业头部企业布局的关键。在巨头们的推动下,相信我们在未来很快会看到Chiplet的新一波爆发。作为一种既能延续性能增长,又能相对控制成本的新技术,Chiplet在高性能计算、自动驾驶等领域已成为业界共识,并向更多的市场领域扩展。当然,这一切都离不开先进封装的进步。



结语
在AMD、Intel等大厂不断推动下,基于超异构架构的Chiplet技术,正因其设计灵活、良率高、成本低等特性声名鹊起。而一系列产品的成功问世,也再次佐证,Chiplet或将成为未来SoC设计的主流趋势之一。



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