小芯片聯(lián)盟成立，大陸芯片“?！?？

來(lái)源：星海情報(bào)局

3月3日，全球芯片頭部制造企業(yè)英特爾、AMD、ARM、Google Cloud、Meta（Facebook）、微軟、高通、三星、臺(tái)積電等聯(lián)合宣布，成立小芯片聯(lián)盟，并且推出一個(gè)全新的通用芯片互連標(biāo)準(zhǔn)：通用小芯片快連（UCle）。


該標(biāo)準(zhǔn)專為小芯片（chiplet）而設(shè)置，旨在為小芯片互連制定一個(gè)新的開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)，簡(jiǎn)化相關(guān)流程，并且提高來(lái)自不同制造商的小芯片之間的互操作性。

該標(biāo)準(zhǔn)下，芯片制造商可以在合適的情況下混合構(gòu)建芯片。

而小芯片則是當(dāng)前突破摩爾定律限制的一項(xiàng)重要技術(shù)思路。

中國(guó)計(jì)算機(jī)協(xié)會(huì)（CCF）曾評(píng)價(jià)“芯粒（小芯片）設(shè)計(jì)技術(shù)將是未來(lái)10到20年集成電路領(lǐng)域最重要的發(fā)展成果之一”。

美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局（DAPRA）在2017年8月啟動(dòng)“通用異構(gòu)集成及IP復(fù)用策略（CHIPS）”項(xiàng)目，這是DAPRA總投資15億美元的“電子復(fù)興計(jì)劃（ERI）”中的一部分，意在促成一個(gè)可兼容、模塊化、可重復(fù)利用的小芯片生態(tài)系統(tǒng)。

知名市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)Omdia預(yù)測(cè)，小芯片將在2024年全球市場(chǎng)規(guī)模擴(kuò)大到58億美元，較2018年的6.45億美元增長(zhǎng)9倍。到2035年，小芯片市場(chǎng)規(guī)模有望增至570億美元。

來(lái)源：Omdia

什么是小芯片？

1965年，英特爾前任總裁Gordon Moore《電子學(xué)》（Electronics）技術(shù)期刊上發(fā)表了摩爾定律預(yù)言：當(dāng)價(jià)格不變時(shí)，集成電路上可容納的晶體管數(shù)量每隔12個(gè)月（后被修訂為24個(gè)月）會(huì)增加一倍，性能也隨之提升一倍。


摩爾定律的出現(xiàn)設(shè)定了極為關(guān)鍵的技術(shù)發(fā)展節(jié)奏基準(zhǔn)，極大地推動(dòng)了當(dāng)時(shí)在前進(jìn)中迷茫的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)。

但在近幾年，隨著研發(fā)制造投入成本不斷提高，每24個(gè)月晶體管數(shù)量翻倍的摩爾定律已經(jīng)漸漸失效，畢竟在物理層面，一片小小的芯片上放不下無(wú)限多數(shù)量的晶體管，當(dāng)晶體管數(shù)量趨于物理極限時(shí)，如何在此之上尋找新的突破就成為了一眾芯片廠商最值得思考的問(wèn)題。

當(dāng)前絕大多數(shù)芯片廠商走的都是SoC（片上系統(tǒng)）的路子。從不同IP供應(yīng)商購(gòu)買軟核IP或硬核IP，再結(jié)合自研模塊集合成一個(gè)片上系統(tǒng)（SoC），然后以某個(gè)制造工藝節(jié)點(diǎn)生產(chǎn)出芯片。

SoC本質(zhì)上是一種芯片的集成，例如我們常說(shuō)的手機(jī)處理器，其實(shí)就是CPU、GPU等芯片的集成，也是一種SoC。


這種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于提高模塊之間通信速度的同時(shí)，還能夠做到低功耗、低成本。

但近年來(lái)突破先進(jìn)制程工藝的難度和成本都在不斷上升。

2001年：芯片制程工藝是130nm，當(dāng)時(shí)非常流行奔騰3處理器。2004年：90nm的元年。2012年：制程工藝發(fā)展到22nm，此時(shí)聯(lián)電、聯(lián)發(fā)科、格芯等很多廠家可以達(dá)到22nm的半導(dǎo)體制程工藝。 2015年：芯片制成發(fā)展的一個(gè)分水嶺，進(jìn)入14nm時(shí)，聯(lián)電止步于此。2017年：步入10nm時(shí)代，英特爾停在了10nm，i5和i7處理器由于良率問(wèn)題而遲遲無(wú)法交貨。2018年：7nm來(lái)臨，英特爾至今無(wú)法突破，而美國(guó)另一家芯片代工巨頭“格芯”，也在7納米處倒下。2019年：6nm開(kāi)始量產(chǎn)。2020年：制程開(kāi)始進(jìn)入5nm時(shí)代，進(jìn)入更難的5nm，只有三星和臺(tái)積電生存下來(lái)了，但三星被爆出良品率造假。

如何突破5nm成了許多芯片廠商最大的研發(fā)瓶頸，盡管此前三星曾宣布已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了5nm芯片的量產(chǎn)，但也身陷良品率造假丑聞中。

小芯片的出現(xiàn)就肩負(fù)了“突破”芯片物理上線的使命。

小芯片（Chiplet）俗稱芯粒，它其實(shí)就是硅片級(jí)別的重用，是一種搭積木造芯的模式，它是將一類滿足特定功能的die，通過(guò)die-to-die（裸片對(duì)裸片）內(nèi)部互聯(lián)技術(shù)實(shí)現(xiàn)多個(gè)模塊芯片與底層基礎(chǔ)芯片封裝在一起，形成一個(gè)系統(tǒng)芯片，以實(shí)現(xiàn)一種新形式的IP復(fù)用。

除此之外，小芯片通過(guò)先進(jìn)封裝技術(shù)，能將多種不同架構(gòu)、不同工藝節(jié)點(diǎn)、甚至來(lái)自不同代工廠的專用硅塊或IP塊集成在一起，如此便可以跳過(guò)流片，快速定制出一個(gè)能滿足多種功能需求的超級(jí)芯片產(chǎn)品。

在小芯片集成模組中，可以同時(shí)將使用不同的處理器節(jié)點(diǎn)，因此可以混合使用處理高性能任務(wù)的5納米小芯片，以及更專注于不太嚴(yán)格的任務(wù)的12納米和14納米小芯片。

這種新型設(shè)計(jì)方法不僅能大大簡(jiǎn)化芯片設(shè)計(jì)復(fù)雜度，還能有效降低設(shè)計(jì)和生產(chǎn)成本。

AMD在2019年就發(fā)布了Ryzen3000系列，其中部署了基于小芯片技術(shù)的Zen2內(nèi)核；英特爾則發(fā)布了集成了47個(gè)小芯片的Ponte Vecchio，都是典型的小芯片。


近幾年隨著頭部廠商帶頭投入更多經(jīng)歷到小芯片的研發(fā)當(dāng)中，小芯片技術(shù)也逐步從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嵺`。

小芯片聯(lián)盟為何成立？

小芯片聯(lián)盟的成立其實(shí)背后有兩個(gè)邏輯，一個(gè)是看好小芯片本身的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，二來(lái)是希望通過(guò)聯(lián)盟的形式掃清小芯片前進(jìn)的障礙。

前面我們提到，小芯片的一個(gè)特點(diǎn)在于搭積木的造芯模式，這也就意味著在芯片模塊的排列組合中，設(shè)計(jì)者可根據(jù)特定的部分選用最先進(jìn)的技術(shù)，而對(duì)于其他部分選擇更成熟、更經(jīng)濟(jì)的技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)拼接式組合模塊，從而降低整體成本。

例如，AMD第二代霄龍?zhí)幚砥鳌J龍都采用了小芯片設(shè)計(jì)，將更先進(jìn)的臺(tái)積電7nm工藝制造的CPU模塊與更成熟的格羅方德12/14nm工藝制造的I/O模塊組合，使得其產(chǎn)品既有7nm可滿足高算力的需求，12/14nm則降低了制造成本。

這帶來(lái)的好處是，7nm制程部分的芯片面積大幅縮減，而采用更成熟制程的I/O模塊有助于整體良率的提升，進(jìn)一步降低晶圓代工成本。

綜合來(lái)看，CPU核心越多，小芯片組合的成本優(yōu)勢(shì)越明顯。

理想狀態(tài)下，借助小芯片方法，芯片設(shè)計(jì)公司只需專注于自己擅長(zhǎng)的IP，而不必?fù)?dān)心其余IP，既有助于提升核心創(chuàng)新能力，又經(jīng)由多種IP設(shè)計(jì)分?jǐn)偭搜邪l(fā)成本。

另一方面，小芯片方案具備良好的可擴(kuò)展性。例如構(gòu)建了一個(gè)基本die后，可能只用一個(gè)die可應(yīng)用于筆記本電腦，兩個(gè)可應(yīng)用于臺(tái)式機(jī)，四個(gè)可應(yīng)用于服務(wù)器。

此外，小芯片可以充當(dāng)異構(gòu)處理器，將GPU、安全引擎、AI加速器、物聯(lián)網(wǎng)控制器等不同處理元素按任意數(shù)量組合在一起，為各類應(yīng)用需求提供更豐富的加速選擇。


隨著小芯片的優(yōu)勢(shì)逐漸顯露，它正被微處理器、SoC、GPU和可編程邏輯設(shè)備（PLD）等更先進(jìn)和高度集成的半導(dǎo)體設(shè)備采用。

但小芯片技術(shù)要走向成熟，還需要面對(duì)諸多挑戰(zhàn)。

在小芯片技術(shù)中，采用die to die的鏈接方式，各裸片互連必須考慮到互連接口和協(xié)議。

在設(shè)計(jì)中必須要考慮到工藝制程、封裝技術(shù)、系統(tǒng)集成、擴(kuò)展等諸多復(fù)雜因素。同時(shí)，還需要滿足不同領(lǐng)域?qū)π畔鬏斔俣?、功耗等方面的要求?br />
這使得小芯片的設(shè)計(jì)過(guò)程變得非常復(fù)雜，而其中橫在小芯片面前的最大難關(guān)來(lái)自于沒(méi)有統(tǒng)一的協(xié)議。
Marvell（美滿，前邁威科技）曾經(jīng)在2015年推出了MoChi架構(gòu)這一小芯片模型。此后Marvell就陷入了選擇接口的困難中。根據(jù)Marvell CTO Yaniv Kopelman表示，由于不想堆高封裝成本或是被單個(gè)供應(yīng)商綁定，他們不想使用內(nèi)插器或者InFO類型的封裝。

另外，使用小芯片的時(shí)候必須在中間劃分IP，但在哪里劃分以及如何開(kāi)發(fā)架構(gòu)也對(duì)最終產(chǎn)品的實(shí)現(xiàn)提出了挑戰(zhàn)。
Yaniv Kopelman總結(jié)到：“在演示中構(gòu)建IP很容易，但從演示走向生產(chǎn)還有很長(zhǎng)的路要走?！?br />
在過(guò)去很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，小芯片一直備受芯片設(shè)計(jì)行業(yè)關(guān)注。越來(lái)越多的廠商開(kāi)始使用小芯片，這使得小芯片越來(lái)越普遍。制造商們希望小芯片解決芯片制造目前面臨的制造成本、擴(kuò)展性等多方面的問(wèn)題。

但由于缺少統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，小芯片此前的協(xié)議十分混亂。

這樣的情況下，芯片制造商們無(wú)法實(shí)現(xiàn)他們的終極構(gòu)想：連通不同架構(gòu)、不同制造商生產(chǎn)的裸片，根據(jù)不同場(chǎng)景進(jìn)行定制。
小芯片聯(lián)盟的出現(xiàn)正是希望通過(guò)集結(jié)各個(gè)廠商之力，推出統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范小芯片的協(xié)議。

UCIe標(biāo)準(zhǔn)的全稱為“Universal Chiplet Interconnect Express”(通用小芯片互連通道)，在芯片封裝層面確立互聯(lián)互通的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。

UCIe 1.0標(biāo)準(zhǔn)定義了芯片間I/O物理層、芯片間協(xié)議、軟件堆棧等，并利用了PCIe、CXL兩種成熟的高速互連標(biāo)準(zhǔn)。

該標(biāo)準(zhǔn)最初由Intel提議并制定，后開(kāi)放給業(yè)界，共同制定而成。

事實(shí)上，英特爾新任總裁Pat自2021年上任以來(lái)一直強(qiáng)調(diào)英特爾要走IDM2.0的道路，在芯片制造上繼續(xù)深耕的同時(shí)還要具有更高的開(kāi)放性，現(xiàn)在看來(lái)，當(dāng)時(shí)英特爾可能就在暗指小芯片。

在2月18日的英特爾投資者大會(huì)上，英特爾宣布將為選擇其旗下IFS服務(wù)代工的客戶提供x86架構(gòu)和其他類型內(nèi)核混搭的可能性，這以一過(guò)程中可能就會(huì)用到小芯片技術(shù)。同時(shí)英特爾還在該大會(huì)上披露正在致力于打造一個(gè)“開(kāi)放、可選擇、值得信賴”的開(kāi)放生態(tài)圈。

這一藍(lán)圖似乎就是如今英特爾牽頭制定的UCle1.0標(biāo)準(zhǔn)的伏筆。
如今這個(gè)巨頭們共同站臺(tái)的UCle1.0標(biāo)準(zhǔn)帶來(lái)的并不是技術(shù)革新，而是技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化。這使得各廠商在使用小芯片時(shí)終于有了共同的規(guī)則。

以往的小芯片封裝都是各家廠商自行其是，在新的UCIe標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范下，不同廠商的小芯片互通成為可能，允許不同廠商、不同工藝、不同架構(gòu)、不同功能的芯片進(jìn)行混搭，x86、ARM、RISC-V集成在一起也不是不可能。

小芯片聯(lián)盟將會(huì)怎樣影響芯片產(chǎn)業(yè)？

首先要明確的一點(diǎn)是，摩爾定律的逐漸失效其實(shí)對(duì)于中國(guó)的科技企業(yè)是一個(gè)彎道超車的機(jī)會(huì)，畢竟當(dāng)其他公司都卡在技術(shù)瓶頸無(wú)法攻克時(shí)，中國(guó)企業(yè)卻在不斷追趕。

而小芯片聯(lián)盟所要做的事卻與此前各大廠家對(duì)SoC的“小修小補(bǔ)”截然不同，是一種推翻了全球范圍工人超過(guò)30年的行業(yè)制造標(biāo)準(zhǔn)，而開(kāi)辟的新的天地，這不亞于從普通手機(jī)到智能手機(jī)的升級(jí)。

技術(shù)的革新也就勢(shì)必帶有行業(yè)的洗牌，玩家在芯片領(lǐng)域的話語(yǔ)權(quán)將重新排列，尤其是小芯片與SoC之間屬于相互替代的關(guān)系，所有電腦、手機(jī)廠商都要在二者之間做出二選一。

這其實(shí)本身對(duì)于國(guó)產(chǎn)芯片廠商來(lái)說(shuō)是一個(gè)新的機(jī)會(huì)，因?yàn)槟壳靶⌒酒蔡幱谄鸩诫A段，中國(guó)企業(yè)與國(guó)際頭部企業(yè)差距其實(shí)沒(méi)有十分巨大。

但目前小芯片聯(lián)盟中其實(shí)并沒(méi)有任何一家大陸芯片企業(yè)，這也就意味著大陸企業(yè)實(shí)際上是被排除在規(guī)則制定之外的，在未來(lái)小芯片與SoC交輝的市場(chǎng)格局下，大陸其實(shí)非常需要一批反應(yīng)迅速的玩家能夠及時(shí)切入小芯片賽道，率先完成基礎(chǔ)研究。

但問(wèn)題在于即便大陸出現(xiàn)了小芯片相關(guān)企業(yè)或者有企業(yè)將精力投入到小芯片行業(yè)中，規(guī)則卻是由外國(guó)企業(yè)定制的，很難對(duì)大陸小芯片企業(yè)產(chǎn)生符合實(shí)際生產(chǎn)要求。

很多時(shí)候我們談中國(guó)制造的巔峰，是精確到小數(shù)點(diǎn)后面的好幾個(gè)0？還是7nm到5nm的突破？其實(shí)這些都只是一些簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)，真正的中國(guó)制造巔峰是定制行業(yè)規(guī)則的能力，將產(chǎn)業(yè)以自己為核心凝聚在一起的能力，這也是國(guó)內(nèi)大多數(shù)企業(yè)所缺乏的能力。

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