繞開先進(jìn)制程封鎖！中國“小芯片”標(biāo)準(zhǔn)草案即將公示，獨(dú)家對(duì)話郝沁汾
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編輯 | 漠影
2022年3月，Chiplet儼然成為巨頭擁躉的焦點(diǎn)。3月2日，英特爾、AMD、Arm、臺(tái)積電、三星、日月光、高通、微軟、谷歌云、Meta十家巨頭聯(lián)合，發(fā)起一項(xiàng)瞄準(zhǔn)chiplet的新互連標(biāo)準(zhǔn)UCIe。僅隔一周，蘋果又甩出了一個(gè)性能爆表的頂級(jí)電腦芯片M1 Ultra，其中將兩枚M1 Max芯片“粘連”而成的“膠水”封裝****，同樣屬于chiplet技術(shù)范疇。這兩起事件，直接將chiplet的熱度推至高潮。
▲蘋果Chiplet專利與M1 Ultra芯片（參考專利US 20220013504A1）
值得注意的是，擁有頂級(jí)芯片設(shè)計(jì)水平的蘋果，并未出現(xiàn)在UCIe標(biāo)準(zhǔn)的首發(fā)成員名單中，其M1 Ultra芯片的實(shí)現(xiàn)方式，也與UCIe不同，反倒與我國正在推進(jìn)的chiplet標(biāo)準(zhǔn)在目的和功能上有些類似。標(biāo)準(zhǔn)的制定對(duì)于生態(tài)的擴(kuò)張至為關(guān)鍵，但多位業(yè)內(nèi)專家或資深人士告訴芯東西，UCIe標(biāo)準(zhǔn)對(duì)國內(nèi)產(chǎn)業(yè)的價(jià)值還很模糊，尤其在全球科技“武器化”和美國政府提防中國科技崛起的地緣沖突背景下，這個(gè)新標(biāo)準(zhǔn)預(yù)計(jì)很難為國內(nèi)廠商提供助力。芯東西獲悉，國內(nèi)chiplet標(biāo)準(zhǔn)草案現(xiàn)已制訂完畢，即將進(jìn)入征求意見階段，預(yù)計(jì)第一季度掛網(wǎng)公示和意見征集，第二季度完成技術(shù)驗(yàn)證計(jì)劃制訂，年底前完成技術(shù)驗(yàn)證，并完成標(biāo)準(zhǔn)文本的確定，進(jìn)行初版標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布工作，首個(gè)版本發(fā)布即可用。那么，國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)存在哪些異同？這些標(biāo)準(zhǔn)的建立會(huì)怎樣影響后摩爾時(shí)代芯片的發(fā)展格局？推進(jìn)此類標(biāo)準(zhǔn)的建設(shè)，還需突破哪些障礙？圍繞這些問題，近日，芯東西與無錫芯光互連技術(shù)研究院院長、無錫芯光集成電路互連技術(shù)產(chǎn)業(yè)服務(wù)中心主任、中國計(jì)算機(jī)互連技術(shù)聯(lián)盟秘書長、中科院計(jì)算所研究員郝沁汾進(jìn)行深入交流，解讀chiplet標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)背后的痛點(diǎn)、趨勢(shì)與隱憂。芯謀研究分析師張先揚(yáng)亦為本文貢獻(xiàn)了有價(jià)值的行業(yè)觀點(diǎn)。
▲無錫芯光互連技術(shù)研究院院長、無錫芯光集成電路互連技術(shù)產(chǎn)業(yè)服務(wù)中心主任、中國計(jì)算機(jī)互連技術(shù)聯(lián)盟秘書長、中科院計(jì)算所研究員郝沁汾
01.Chiplet：摩爾定律的“救星”
▲部分集成電路互連技術(shù)種類示意圖
2015年，Marvell創(chuàng)始人周秀文在ISSCC 2015上提出MoChi（模塊化芯片）架構(gòu)概念。隨后，AMD率先將chiplet應(yīng)用于商業(yè)產(chǎn)品中。相比之下，英特爾切入這一技術(shù)方向的時(shí)間稍晚。2020年1月，英特爾加入由Linux基金會(huì)主辦的美國CHIPS聯(lián)盟，并免費(fèi)提供了AIB互連總線接口許可，以支持chiplet生態(tài)系統(tǒng)的建設(shè)。但由于需使用英特爾自家的先進(jìn)封裝技術(shù)EMIB，AIB標(biāo)準(zhǔn)未能廣泛普及。今年3月，英特爾又牽頭發(fā)起一項(xiàng)chiplet新標(biāo)準(zhǔn)，即開篇提到的UCIe標(biāo)準(zhǔn)。
▲隨著先進(jìn)制程演進(jìn)，芯片設(shè)計(jì)成本飆升
相比單芯片設(shè)計(jì)，基于chiplet設(shè)計(jì)的芯片，可以進(jìn)一步提升良率，降低成本，同時(shí)性能更強(qiáng)。一顆芯片上有不同功能的模塊組件，如果全用最先進(jìn)的技術(shù)節(jié)點(diǎn)來制造，成本會(huì)非常高。而多顆小芯片封裝在一起，通過讓不同功能的芯片模塊分別選用合適的制程工藝，不僅可在技術(shù)方面實(shí)現(xiàn)各功能的最優(yōu)化，合理利用先進(jìn)工藝提升那些能夠獲益的芯片內(nèi)容，也能進(jìn)一步節(jié)約生產(chǎn)成本，提升所設(shè)計(jì)芯片的總體性價(jià)比。除此之外，芯片面積越大，良品率越低。比如150mm2芯片的良品率有80%，到700mm2已經(jīng)低至30%。Chiplet采用多顆小芯片組合的思路，以更小的裸片提升總體良率，可以帶來更高的硅利用率和產(chǎn)能。因此，芯片業(yè)已經(jīng)不再只關(guān)注單裸片芯片，而是開始將多個(gè)裸片組成的單個(gè)芯片集成到系統(tǒng)中，并有越來越多的芯片公司投入相關(guān)研發(fā)。但隨著基于chiplet的芯片品類逐漸多樣，缺乏標(biāo)準(zhǔn)的問題逐漸變得棘手。02.不僅要建立標(biāo)準(zhǔn)還必須建立國內(nèi)原生標(biāo)準(zhǔn)
▲UCIe聯(lián)盟首批成員名單
在郝沁汾看來，英特爾牽頭這些標(biāo)準(zhǔn)的核心動(dòng)力，是維護(hù)和豐富其生態(tài)系統(tǒng)的完整性。UCIe標(biāo)準(zhǔn)明確提出支持CXL和PCIe協(xié)議，而這兩個(gè)互連協(xié)議均由英特爾提出和創(chuàng)建。例如，PCIe是x86系統(tǒng)主要的IO總線標(biāo)準(zhǔn)，所有IO設(shè)備必須支持PCIe才能和X86 CPU相連。由于目前很多加速器芯片的計(jì)算能力，已經(jīng)可以和主CPU相提并論，因此CXL在IO模式基礎(chǔ)上，又新增了CXL.mem和CXL.cache的模式，以適應(yīng)技術(shù)形勢(shì)的發(fā)展。值得注意的是，UCIe聯(lián)盟的初始成員名單中，沒有蘋果、英偉達(dá)等芯片圈知名“狠角色”，也完全沒有中國大陸廠商的身影。英偉達(dá)可能是因?yàn)槠錁I(yè)務(wù)高毛利，對(duì)成本不敏感，暫時(shí)對(duì)chiplet這種設(shè)計(jì)方式不太感興趣，再加上英偉達(dá)有自己的片間互連協(xié)議NVLink，與英特爾對(duì)數(shù)據(jù)中心場(chǎng)景的一些期望不一致，因此支持UCIe與否不是必須為之。而蘋果上周最新發(fā)布的電腦芯片M1 Ultra，已是在chiplet方向上的一次成功嘗試。至于面向國內(nèi)芯片企業(yè)，有一個(gè)問題值得商榷：UCIe標(biāo)準(zhǔn)的“開放”，究竟是何種程度的開放？
▲UCIe的介紹是一個(gè)開放的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)互連
“我們認(rèn)為的開放，應(yīng)該是從標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議到參考實(shí)現(xiàn)都是開放的，但是我們看到英特爾所標(biāo)榜的這些標(biāo)準(zhǔn)，從PCIe到CXL、AIB和UCIe，實(shí)現(xiàn)參考設(shè)計(jì)所需要的技術(shù)細(xì)節(jié)，你都在標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議中找不到的。”郝沁汾曾向另一家更早開展chiplet互連標(biāo)準(zhǔn)制定的美國組織ODSA寫郵件詢問，還托以前的同事去交流，結(jié)果對(duì)方明確告知，該標(biāo)準(zhǔn)中很多涉及實(shí)現(xiàn)的技術(shù)細(xì)節(jié)是不能對(duì)中國開放的。這與美國政府的“視同出口”規(guī)定有關(guān)，美國企業(yè)假如沒有申請(qǐng)出口許可就將技術(shù)輸向海外，哪怕只是在標(biāo)準(zhǔn)會(huì)議中的技術(shù)探討，都屬于違規(guī)。因此，在中美關(guān)系仍較為緊張的情況下，美國技術(shù)聯(lián)盟如果貿(mào)然將大陸廠商拉進(jìn)去，會(huì)承擔(dān)法規(guī)方面的風(fēng)險(xiǎn)。“標(biāo)準(zhǔn)有國界”的警鐘三年前就敲響過。2019年5月，美國商務(wù)部宣布將華為列入實(shí)體清單，隨后PCIe組織PCI-SIG曾短暫地停掉華為的會(huì)員資格。再結(jié)合近期的俄烏戰(zhàn)事，可以看到科技已經(jīng)“武器化”，假如哪天美國政府再次升級(jí)技術(shù)出口管制措施，依賴國際標(biāo)準(zhǔn)的國內(nèi)企業(yè)可能要吃些苦頭。在芯謀研究分析師張先揚(yáng)看來，UCIe的出現(xiàn)，代表著全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)已經(jīng)進(jìn)入到成熟的產(chǎn)業(yè)階段。但UCIe是否具有持續(xù)的市場(chǎng)前景，主要看未來chiplet與高度集成的單片芯片是否會(huì)形成差異化的市場(chǎng)結(jié)構(gòu)，這一點(diǎn)很像大家在討論的ASIC和FPGA誰是最終歸屬的問題。此外，UCIe產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟成員基本可形成一個(gè)小的產(chǎn)業(yè)生態(tài)閉環(huán)，這將進(jìn)一步提高各產(chǎn)業(yè)環(huán)節(jié)的集中度，并鞏固了龍頭優(yōu)勢(shì)，是否會(huì)真正利好半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也是存疑的。“尤其需要注意到英特爾在美國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中扮演的敏感角色，在此特定背景下，我們不希望看到UCIe會(huì)成為政治化的工具。”他告訴芯東西。張先揚(yáng)認(rèn)為，國內(nèi)方面，我們要繼續(xù)走好自己的路，在加速國產(chǎn)化替代的同時(shí)，做好應(yīng)對(duì)一切沖擊的準(zhǔn)備，UCIe提供了一種可參考的產(chǎn)業(yè)平臺(tái)機(jī)制，我們亦可以通過組建內(nèi)部產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的方式來優(yōu)化產(chǎn)業(yè)分工，進(jìn)一步加快國內(nèi)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，提高國內(nèi)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)對(duì)于沖擊的耐受力。這也是郝沁汾決定另起爐灶，在國內(nèi)構(gòu)建一套原生chiplet標(biāo)準(zhǔn)的初衷。03.國內(nèi)外chiplet標(biāo)準(zhǔn)有何異同？
▲UCIe支持的封裝方式
在郝沁汾看來，先進(jìn)制程停滯背景下，chiplet面臨著很好的機(jī)會(huì)，但我國面臨的最現(xiàn)實(shí)問題，不是先進(jìn)制程停滯，而是先進(jìn)制程被禁運(yùn)了怎么辦？戰(zhàn)略風(fēng)險(xiǎn)在于，倘若UCIe支持的三種先進(jìn)封裝技術(shù)被禁運(yùn)，大陸廠商想用UCIe協(xié)議，只能采用標(biāo)準(zhǔn)封裝的方式。而采用標(biāo)準(zhǔn)封裝方式的chiplet間互連帶寬，僅有采用先進(jìn)封裝帶寬的1/6，性能大幅縮水。在標(biāo)準(zhǔn)組成上，UCIe主要由D2D適配層、物理層（含封裝）組成，圖中虛線以上是既有協(xié)議，CXL或PCIe。我國的《小芯片接口總線技術(shù)要求》也有類似的組成，由鏈路適配層、物理層及封裝組成。
▲UCIe分層協(xié)議的組成
兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵區(qū)別之一在于，UCIe在D2D組成的芯片中，加入了一種叫retimer的功能芯片定義，它負(fù)責(zé)把信號(hào)由并行轉(zhuǎn)成串行，然后以更高速度傳送到較遠(yuǎn)的地方。郝沁汾談道，這個(gè)目的主要是為了實(shí)現(xiàn)英特爾自身在數(shù)據(jù)中心中CPU和內(nèi)存解耦、資源池化方案。國內(nèi)《小芯片接口總線技術(shù)要求》則不包括這部分內(nèi)容，而是一個(gè)純粹的D2D互連標(biāo)準(zhǔn)。郝沁汾認(rèn)為，我國的標(biāo)準(zhǔn)更加符合國情。比如在物理層，國內(nèi)chiplet標(biāo)準(zhǔn)同時(shí)支持單端信號(hào)和差分信號(hào)，單端的信號(hào)是一根線，差分信號(hào)是一對(duì)線，可以把信號(hào)傳的更遠(yuǎn)一點(diǎn)。通過chiplet將兩個(gè)芯片互連，只要支持差分信號(hào)，就能使國內(nèi)某些加速器芯片廠商實(shí)現(xiàn)將相同的芯片通過差分信號(hào)接口相連，以拓展總體性能的目的。這種先用成熟工藝做出小芯片、再用先進(jìn)封裝技術(shù)把它們拼在一起的方式更加廉價(jià)經(jīng)濟(jì)，可替代采用7nm、5nm先進(jìn)制程工藝生產(chǎn)芯片的昂貴方案。上周蘋果最新推出的最強(qiáng)電腦芯片M1 Ultra，其實(shí)現(xiàn)方式與國內(nèi)的chiplet標(biāo)準(zhǔn)更為類似。而UCIe只支持通過單端信號(hào)實(shí)現(xiàn)D2D互連，與國內(nèi)廠商的現(xiàn)階段訴求不一致，實(shí)用性欠佳。郝沁汾告訴芯東西，國內(nèi)chiplet標(biāo)準(zhǔn)既支持像臺(tái)積電CoWoS等先進(jìn)封裝方式，也支持國內(nèi)先進(jìn)封裝方法的最新積累，這樣國內(nèi)企業(yè)萬一被施加技術(shù)限制，至少還有個(gè)備用方案，而不至于措手不及。04.chiplet是我國必須抓住的技術(shù)機(jī)會(huì)
05.結(jié)語：路漫漫其修遠(yuǎn)兮
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