多廠商異構集成的巨大挑戰在哪里？

大型芯片制造商專注于小芯片，將其視為將更多功能集成到電子設備中的最佳途徑。現在的挑戰是如何拉動芯片行業的其他部分，為第三方小芯片創建一個市場，可以使用特定標準從菜單中進行選擇，這些標準可以加快上市時間，幫助控制成本，并像內部開發的芯片一樣可靠。

到目前為止，第三方小芯片使用一直斷斷續續。普遍的共識是，第三方小芯片市場將在某個時候蓬勃發展，部分原因是購買小芯片比構建它們更便宜，前提是有足夠的互操作性標準。最大的未知數是，與內部開發的小芯片相比，這些小芯片的性能如何，這反過來又會影響采用的速度、可用的市場機會總量以及隨后的市場整合速度。

這是由于幾個變量造成的。一方面，據估計，所有新啟動的芯片設計中有 30% 至 35% 供大型系統公司內部使用。因此，這些公司不是使用現成的處理器和 IP，而是從頭開始設計系統來優化其內部流程或數據類型。為這些應用開發的一些小芯片是高度專業化且具有競爭力的秘密武器，但這些系統中還有許多其他功能可以由第三方小芯片開發商開發。

另一方面，小型聯盟正在圍繞不同領域形成，例如生物或汽車應用。其中一些涉及代工廠和 OSAT，它們開始為本質上是裝配設計套件制定標準，而另一些則正在有機開發。但在所有情況下，重點都是基于小芯片設計的大規模生產，并具有可預測的產量。

此外，與必須符合特定工藝技術的軟IP不同，小芯片可以在任何工藝節點上開發。它們是否可以從一家晶圓廠互換到另一家晶圓廠還有待觀察。然而，混合和匹配流程節點的能力為更多選擇打開了大門。例如，開發人員可以在任何工作效果最好的節點上創建完全模擬的小芯片，而不是最先進節點的平面 SoC 所需的大部分數字芯片和一些模擬芯片。這開辟了一個基于 PPAC 的全新潛在市場。

小芯片代表了自摩爾定律誕生以來最根本的轉變之一。這個想法已經存在了數十年，但在 finFET 推出之前，平面微縮的好處始終超過了改造供應鏈、設計和制造工藝、更新或添加新設備以及因故障而造成的中斷所帶來的巨大挑戰。所有這些仍然是一個巨大的挑戰，也是難以預測變化速度的主要原因之一。

AMD、英特爾和 Marvell 等大型芯片制造商已經證明小芯片的有效性，并且他們正在從其開創性工作中獲益。但如果歷史可以說明事情將如何演變，那么這些公司自己開發所有本質上硬化的知識產權在經濟上并不有利。這是他們支持新的互操作性標準（尤其是 UCIe）并推廣商業市場理念的原因之一。此外，各個政府機構還制定了利用現成的商用小芯片，作為加快上市時間并最終降低成本的一種方式的目標。

圖 1：NIST 的小芯片架構。來源：美國國家標準技術研究所

盡管如此，正如這些初始實現所證明的那樣，集成小芯片和組裝它們比聽起來要困難得多。大型芯片制造商通過構建小芯片的底盤來實現這一目標。這允許在特定參數內設計小芯片，例如面積、噪聲（電磁、功率、基板等）、互連位置、材料相互作用和許多其他特性。但他們也使用一組對他們的設計很重要的狹窄參數來解決問題。

圖 2：AMD 的 EPYC Gen 4 處理器使用小芯片來實現不同應用的可擴展性。來源：AMD/2023 年熱門芯片

圖 3：英特爾基于計算小芯片及其多芯片互連橋 (EMIB) 的可擴展至強架構。來源：英特爾/Hot Chips 2023

英特爾的小芯片方法類似。Advantest America負責美國應用研究和技術的副總裁 Ira Leventhal 表示：“即使你有一套能夠很好地協同工作的小芯片指南，你仍然會遇到各種工藝變化、封裝變化等等。您可以提供芯片匹配和支持左移等功能，以便更快地發現缺陷，這樣就不會產生大量的包裝成本和廢料。但在這個更復雜的環境中，如何優化產量？這確實很重要，即使您有一組可以一起發揮作用的最佳事物。需要在各個步驟中采取更多措施才能完成這一任務。”

小芯片還被高度針對性地用于其他設計，由OSAT將它們集成到先進的封裝中。在這種情況下，它們就像 加密 IP 一樣使用，而不是作為基于芯片的設計的一部分。

“我們看到我們的客戶使用小芯片進行高性能計算以及網絡交換機，”日月光高級工程總監歐力在最近的 CHIPCon 小組會議上表示。“他們關心性能和信號完整性。例如，您可以使用光纖 I/O 來替代高速 SerDes。因此，現在小芯片正在多個市場和多種應用中使用，并且未來的采用率將會越來越高。”

對于商業市場，關于小芯片如何準確表征的標準仍在制定中。盡管如此，這種方法還是有一些明顯的優點。由于小芯片比光罩尺寸的 SoC 更小，因此良率通常更高。真正的集成挑戰來自小芯片的外部。還存在一些挑戰，包括如何在組裝后單獨測試和檢查它們，以及如何測量芯片移位等內容。例如，特定用例的動態功率密度可能會因電阻和靜態漏電流而增加熱量。這反過來會導致翹曲，從而對將小芯片固定到位的鍵產生壓力。處理所有這些問題需要新的流程來在設計周期的早期解決這些問題，以及新的設備和全新的工藝步驟。

Chiplet 的優勢

使用 Chiplet 有三個主要原因。

首先，無論工藝節點如何，它們都可以混合和匹配，這顯著降低了開發半導體器件的成本。“隨著這些特定領域的架構越來越專業化，如果它真正推動我們為每種架構采用差異化技術，它有可能對晶圓廠、設備制造商和生態系統的其他部分產生巨大的顛覆性，”他說。Lam Research計算產品公司副總裁 David Fried在 SEMI 最近舉行的關于計算未來的小組討論中發言。“如果你回顧 15 到 20 年前，當單片集成節點一個接一個地緩慢前進時，我們將異構集成所需的一些流程創新視為附加的。但現在，如果你看看到達下一個節點的成本，特別是單片集成的成本，那么突然之間這些異構集成過程似乎真的很便宜。”

其次，小芯片可以換入或換出設計，以針對特定領域和應用進行定制。這使得芯片制造商能夠創建高度針對特定應用的設計，為更特定的領域和用例定制類似的芯片，無需從頭開始重新創建所有內容即可更新它們，并添加比單個芯片上可用的更多功能。

英特爾硅架構工程師 Swadesh Choudhary 表示：“當我們期待擁有不同的技術節點時，我們可以將它們混合搭配在一起，并將一些模擬內容保留在比最新技術更穩定的技術中。您可以將不同的加速器與相同的計算引擎集成，并可能通過針對不同應用程序的定制包加快上市時間。通過封裝中的小芯片，您可以更輕松地做到這一點。”

小芯片的第三個主要好處是，即使是首次設計，它們也可以顯著加快上市時間，從而使芯片制造商能夠更快地進入市場。

“歸根結底，問題在于 PPA 和上市時間，” Amkor Technology的小芯片/FCBGA 集成副總裁 Mike Kelly 說道。“這從高端開始。數據中心的人員首先推動了它，也許也是最困難的。但它正在滲透到我們今天看到的每一個計算機類中，數據中心、個人電腦市場和手機市場。汽車正變得計算密集型，并面臨著與其他汽車相同的限制。現代節點價格昂貴，晶圓成本也很高。你可以通過突破真正高性能的部件來管理它。這是一條很長的S曲線但它肯定是在向新的地方過渡。”

并且有充分的理由。Synopsys首席戰略官 Antonio Varas在 SEMI 活動上指出，目前只有約 35% 的芯片設計項目按計劃進行，約 25% 的項目在首次硅片上就取得了成功。與此同時，需求每年以9%至11%的速度增長，而供應量則以7%至9%的速度增長。到 2030 年，需求預計將增長 17%，這主要是因為半導體被用于各種新市場和新應用。

挑戰

這就是小芯片發揮作用的地方，要使這一切順利進行，需要在各個層面制定標準——而這只是一個開始。

“你肯定需要標準，”臺積電現場技術解決方案副總裁 Paul Rousseau 說。“這就是 3DFabric 和 3Dblox 背后的整個理念，并且有多個層次。其中一個級別是 EDA 端或 I/O，UCIe 正在成為芯片間通信的標準。除非有巨大的好處，否則為什么要使用不同類型的 I/O？另一件事是在硅本身或封裝上。挑戰之一是每個人都有一個奇特的想法。這需要大量的開發時間才能證明。因此，我們正在努力讓人們采用標準解決方案。這就是我們對硅所做的事情。我們有設計規則和模型，我們知道會起作用。封裝也有同樣的目標。這并不是每次都重新發明輪子。”

最初，這意味著商用小芯片的選擇更加有限。但這是否意味著不太優化的設計更難確定，因為將 SoC 分解為不同的強化功能可以讓設計團隊更輕松地確定這些功能的優先級并劃分設計。如果有標準來規定不同的芯片如何組合在一起以及如何測試它們，那么隨著時間的推移，它們可能會比一次性的設計更加可靠。

芯片設計的重大變化之一是關注數據如何在芯片中移動，隨著需要處理的數據量持續增長，這一點非常重要。這引發了一系列變化，例如新材料和不同的設備組裝方式。混合鍵合是人們高度關注的領域之一。由于需要比標準互連更快地傳輸視頻和大型圖像，這種技術首先在圖像傳感器中實現。例如，UMC 于 2023 年 2 月與 Cadence 簽署了一項協議，提供一個可以加速這一過程的平臺，特別是對于成熟節點，這是許多小芯片將被開發的地方。

舉例來說，目前最快的一些計算機使用的組件，如商用的ARM內核。關鍵在于數據路徑和與內存的物理連接、軟硬件協同設計以及人工智能/機器學習的稀疏算法。隨著計算變得更加分散，例如汽車和便攜式設備與智能城市基礎設施進行通信，真正的價值可能不再在于誰創造了最快的處理器，而更多地在于無縫連接。

更大的挑戰可能在業務方面。“問題是這是否會轉化為商業小芯片市場，您可以從第三方以低廉的價格采購它并將其集成到您的設計中，”Varas 說。“您需要的不僅僅是標準接口。這里有一個商業模式的問題。如何鑒定小芯片的資格？你如何測試它們？所以標準接口將會出現。但第二部分并不像IP模型的演變那么簡單。情況要復雜得多。這項技術可能是可行的，但它還包括商業模式、供應鏈協調等等。”

此外，商業小芯片還存在數據共享的問題。大型芯片制造商的一大優勢是能夠在公司內部共享數據，以便可以針對最終應用或用例優化小芯片。不同公司之間交換數據要困難得多，因為公司非常擔心數據泄露或被盜。

“有數據安全，也有數據共享，”林氏集團的弗里德說。“這些并不相互排斥，人們必須消化這一點。我們開始打破使用云來完成我們害怕使用云的事情的障礙。我們正在努力解決的是數據共享以獲得更高的價值。飛機就是一個例子。這些飛機的所有者與飛機發動機制造商共享數字孿生和數字線程的維護記錄和數據，并且他們可以對故障進行建模并進行預測性維護。航空航天行業的一些公司正在與所有這些不同的公司共享其產品的私密數據，這對所有這些公司都有好處。這種情況在我們的行業中并沒有發生太多。這種情況發生在銀行業，就像當你刷信用卡時，它會立即檢查是否存在欺詐行為。這些模型建立在來自多個不同銀行的數據之上，并且全部聯合在一起。這就是我們作為一個行業失敗的地方，因為我們在整個生態系統的數據共享方面落后于銀行業和航空航天業 10 年。”

系統與芯片

設計方面還存在其他挑戰。將小芯片集成到封裝中使設計問題遠遠超出了單個芯片的范圍。現在它是需要協同工作的芯片的集合，并且不再由單個團隊在一個地點開發。

“我們已經從設計芯片轉向設計系統，”Synopsys 的 Varas 說道。“我們正在處理三個主要問題。我們有新的復雜性向量，這需要系統設計的并行化。而且我們還缺乏人才。如今，60%的EDA用戶是經典半導體公司。另外 40% 是超大規模企業、初創公司以及 ASIC 或 IP 供應商。2019 年至 2022 年間，先進芯片的設計啟動數量增加了 44%，但不斷擴大的生態系統也加劇了碎片化。有更多的選擇和復雜性，這增加了設計的破壞性。”

日月光公司的李對此表示同意。“設計師需要采取與過去不同的做法，過去以 PCB 為中心，使用 GUI 為主的設計工具，”她說。“他們不需要設計扇出或有源中介層。因此，舊的封裝設計人員現在必須管理 LVS（布局與原理圖）、CRV（約束隨機驗證）測試的 IC 級工具，并可能運行一些 SIPO（串行輸入/并行輸出）分析。我們需要與客戶擁有相同的波長。此外，封裝變得越來越大，為了控制翹曲，需要材料和工藝技術的創新。我們需要擁有已知良好的芯片、已知良好的模塊，并且我們需要進行多次測試插入以確保每個過程都良好并且能夠產出。最后，組件級測試將不再通過，這就是我們采用和實施系統級測試的原因。”

結論

Chiplet 在某個時候將會變得普遍。根本沒有足夠的體積來支持縮小芯片上所有部件的成本，最終公司將專注于他們最擅長的事情，并讓其他人開發對競爭力或差異化沒有貢獻的組件他們的產品。

主要問題（至少在最初）與尋找將小芯片集成到設備中的標準方法有關，確保它們隨著時間的推移按預期工作，以及如何共享數據以便行業能夠快速發展。其中包括業務和技術問題，而且數量很多。盡管大型芯片制造商基本上都在單干，但隨著成本受到嚴格審查，以及競爭為一些零部件創造了公平的競爭環境，這種情況將發生變化。但所有這些因素變化的速度有多快，以及是什么提供了競爭優勢，將因市場、公司以及整個行業突然出現的技術、商業和地緣政治的新發展而有所不同。

Chiplet 的方向是明確的，有足夠的力量在推動它。但在短期內，甚至可能更長時間內，時機、獨特的挑戰和生態系統合作仍將更加難以應對。

審核編輯：黃飛