大型芯片迅速崛起，微芯片被“拋棄”！

來源：半導體行業(yè)觀察

如果微芯片是城市，那么讓它們變得更好的全行業(yè)新戰(zhàn)略可以用一個詞來概括——蔓延（sprawl）。在某些情況下，我們最強大的設(shè)備中的芯片占用了如此多的空間，以至于它們幾乎不再被稱為“微型”。

工程師實現(xiàn)這一目標的一種方法是將微芯片堆疊在一起。這就像urban infill，只是不再建造高聳的新公寓樓，而是計算機內(nèi)部通常扁平的硅片正在變成多層，把內(nèi)存、電源管理和圖形等功能的電路堆疊在一起。

推動芯片設(shè)計這一趨勢的原因是一個簡單的現(xiàn)實：繼續(xù)使芯片更快、我們的設(shè)備更強大的壓力是無情的，而芯片行業(yè)通過縮小晶體管以維持更高性能來跟上步伐的能力正在遇到技術(shù)障礙。

因此，半導體工程師通過將芯片更緊密地結(jié)合在一起來提高性能。正在出現(xiàn)的是位于我們電子世界核心的微型硅城。在某些情況下，這些蝕刻的晶體組合變得如此之大，以至于它們達到了芯片中罕見的物理尺寸。

目前，大多數(shù)芯片的大小約為一角硬幣或四分之一，但有些芯片現(xiàn)在已增長到接近****牌的大小，或者在某種情況下，甚至是餐盤大小。

Apple 的 M1 Ultra 芯片在其 Mac Studio 計算機中使用，由 1140 億個晶體管組成。

這些巨型芯片不僅出現(xiàn)在世界上最強大的超級計算機中，而且出現(xiàn)在家用設(shè)備中。微軟的 Xbox 視頻游戲機和索尼蘋果的 PlayStation 5 使用了一些由 Advanced Micro Devices 設(shè)計的打新。使用在蘋果 Mac Studio 計算機中 的M1 Ultra 芯片也采用了這種設(shè)計方法，用于超級計算機和數(shù)據(jù)中心的英特爾 Ponte Vecchio 處理器核心同樣是個大芯片。

但是，當涉及到管理在密集電路中執(zhí)行的所有計算所產(chǎn)生的額外熱量時，這些巨型芯片會給工程師帶來挑戰(zhàn)。盡管它們可以更節(jié)能，但它們的龐大尺寸意味著它們有時最終也會消耗大量電力。例如，英特爾的 Ponte Vecchio 芯片在每次計算的基礎(chǔ)上都很高效，但功耗為 600 瓦，幾乎足以運行吹風機。如果您想知道為什么您的移動設(shè)備中還沒有大型芯片，這就是您的答案。

從某些方面來看，巨型芯片只是延續(xù)摩爾定律趨勢的一種方式——英特爾創(chuàng)始人戈登·摩爾（Gordon Moore）觀察到，每兩年左右，消費者可以預期每美元的晶體管數(shù)量會增加兩倍，因此計算能力也會增加一倍。這條經(jīng)驗法則之前已經(jīng)宣布結(jié)束，但芯片只會越來越好。超級芯片只是業(yè)界最新的創(chuàng)新，可兌現(xiàn)更高性能的承諾。

荷蘭公司 ASML 基本上壟斷了制造世界上最先進的芯片所必需的工具，以及最小的晶體管。然而，即使它說要保持摩爾定律的發(fā)展，僅僅使芯片上的功能更小是不夠的。在2021 年 9 月向投資者的介紹中，它談到了“系統(tǒng)擴展”（system scaling）的想法。ASML 的一位發(fā)言人證實，該公司認為系統(tǒng)擴展是對 ASML 為縮小微芯片特性所做的工作的補充。

用城市的比喻來說，如果一個城市不能縮小其住房單元的規(guī)?；蛱岣咂浣煌ㄐ?，它就別無選擇，只能向上向外擴張——就像新加坡島的土地面積在過去50 年中幾乎增長了四分之一。

在眾多中的一個

制造巨型芯片并非易事，部分原因是這樣做意味著以納米級精度將每個芯片組件操縱到位，并且在沒有微型焊槍的情況下將它們連接起來。

現(xiàn)在這在很大程度上是可能的，因為最近在一個長期以來被芯片行業(yè)忽視的領(lǐng)域進行了創(chuàng)新。該領(lǐng)域是“封裝”。這通常是微芯片制造后的一個模糊步驟，當它連接到細線并用塑料包裹，然后放置在電路板上，也用電線覆蓋，將其連接到設(shè)備的其余部分。

在傳統(tǒng)設(shè)備中，接收和傳輸無線電波（例如，通過 Wi-Fi 進行通信）的芯片可能會連接到另一個進行通用計算的芯片，它們之間的連接實際上就是所謂的“總線”。但就像它在現(xiàn)實世界中的等價物一樣，這種公共汽車并不是在這些相鄰的硅城市之間運輸任何東西的快速方式。新的巨型芯片封裝反而將這兩個芯片——可能還有更多——直接連接起來。結(jié)果更像是把所有這些芯片放在一個屋檐下，在一棟高層建筑中。

IBM前封裝開發(fā)總監(jiān) Subramanian Iyer 表示，傳統(tǒng)的微芯片必須將其近三分之一的面積（以及同樣多的功耗）用于將芯片計算結(jié)果傳達給設(shè)備其余部分的電路。堆疊芯片使它們之間的通信更快，因為它允許它們之間的更多連接，就像在摩天大樓的樓層之間乘電梯旅行比一直穿過建筑物到達最近的鄰居更快一樣。

美光的232層閃存

這種東西長期以來一直是內(nèi)存芯片的標準——總部位于愛達荷州博伊西的美光科技剛剛推出了一款 232 層的內(nèi)存芯片，如果它是一座建筑物，在拉斯維加斯大道上也不會顯得格格不入——但僅適用于其他類型的微芯片。

制造巨型芯片和芯片堆疊的基本組成部分是一種新型微芯片，稱為“chiplet”。它取消了一些舊式電路，可以更直接地與其他chiplet通信。通過創(chuàng)建許多短而直接的連接——通常由芯片本身所用的同一硅制成，而不是銅或其他金屬——這些chiplet可以與其他chiplet融合形成巨型芯片。

伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的電氣工程教授 Rakesh Kumar 說，共同構(gòu)成一個巨型芯片的不同chiplet之間的直接通信使它們能夠像一個巨大的微處理器一樣運行。

一個極端的例子是英特爾最近發(fā)布的 Ponte Vecchio 圖形處理器。每個都由 63 個不同的chiplet組成。這些chiplet相互堆疊并擠在一起，總面積為 3,100 平方毫米，包括 1000 億個晶體管。相比之下，筆記本電腦核心的典型芯片尺寸不到 150 平方毫米，大約是其大小的 1/20，并且有大約 15 億個晶體管——數(shù)量的 1.5%。

使用堆疊chiplet顯然是英特爾處理器的未來——其大部分已經(jīng)發(fā)布但尚未發(fā)貨的服務器、臺式機和筆記本電腦處理器都是采用這種技術(shù)構(gòu)建的。英特爾高級研究員 Das Sharma 表示，以這種方式做事“提供了一種全新的芯片制造方法，比傳統(tǒng)方法更快、更具成本效益”。

他指出，堆疊chiplet還允許英特爾提高其下一代臺式機和服務器芯片的性能，而不會增加其（二維）占用空間或總功耗。這可能看起來有悖常理，但它有助于理解芯片使用的功率量是設(shè)計決策，而節(jié)省功率是行業(yè)的最高優(yōu)先事項之一。堆疊的chiplet可以讓工程師通過節(jié)省芯片不同部分進行通信所需的時間和能源，從現(xiàn)有設(shè)計中獲得更多收益。但是，當性能是優(yōu)先考慮的事項時，chiplet也可用于使微芯片更大——更耗電。

AMD 是當前chiplet技術(shù)時代的先驅(qū)，它已經(jīng)提供了內(nèi)置少量chiplet的處理器。該公司發(fā)現(xiàn)，只需在其 CPU（計算機中進行大量非圖形計算的芯片）上堆疊一個內(nèi)存芯片，就能夠顯著提高其系統(tǒng)的速度。

群星閃耀的時代

Ansys的產(chǎn)品營銷總監(jiān) Marc Swinnen 表示，雖然目前基于chiplet的巨型芯片數(shù)量可能很少，而且只出現(xiàn)在最強大的系統(tǒng)中，但制造它們的趨勢正在加速。廣泛應用于微芯片設(shè)計行業(yè)。（Ansys 的大多數(shù)客戶都喜歡保持匿名，但其中包括三星。）

該公司發(fā)言人表示，自 2019 年以來，Ansys 客戶涉及堆疊chiplet的項目數(shù)量增加了 20 倍，當時它還處于低個位數(shù)。（從角度來看，世界上任何時候正在進行的此類芯片設(shè)計項目的總數(shù)估計有數(shù)百個。）

3 月，一個名為 Universal Chiplet Interconnect Express (UCIe) 的行業(yè)聯(lián)盟宣布，英特爾和 AMD——通常是死對頭——都是這個最新標準組織的會員。該標準旨在使任何遵循它的人都可以創(chuàng)建可以與其他制造商制造的芯片連接的芯片。該聯(lián)盟的成員還包括Arm、臺積電、三星等微芯片設(shè)計和制造巨頭。

為chiplet創(chuàng)建標準連接方式的希望是，在未來，任何公司都可以從任何其他公司購買chiplet，然后將它們組裝成他們特定用途所需的任何科學怪人的芯片怪物，聯(lián)盟主席 Debendra Das Sharma、英特爾高級研究員說，在UCIe，讓我們回到城市的比喻上，想象一下，如果你能把紐約、里約和東京最好的地方，然后將它們拼湊成一個適合你特定口味的夢想城市，這是一個多不可思議的事情。

當然，要完成這項工作需要讓很多不同的公司參與進來。Sharma 博士說，UCIe 標準的性質(zhì)和加入該組織的大名鼎鼎的名字足以證明它會成功。

但伊利諾伊大學的Kumar博士不太確定?！霸谝粋€如此殘酷的行業(yè)中，對任何事物進行標準化都是一項挑戰(zhàn)，因為必須做出妥協(xié)，而且并不是每個人都有動力表現(xiàn)得很好，”他說。

整個行業(yè)對這項技術(shù)產(chǎn)生興趣的一個主要驅(qū)動力是越來越多的公司（包括亞馬遜、谷歌、微軟、特斯拉等）希望創(chuàng)建自己的、功能更強大的微芯片來運行從云服務和智能手機等各種服務。，到游戲機和車輛。

“現(xiàn)在有大公司的整個部門，他們的商業(yè)主張都取決于他們的硅質(zhì)量，”Swinnen先生說。

加州大學洛杉磯分校的 Iyer 博士說，還推動人們對巨型芯片產(chǎn)生興趣的是人工智能和機器學習系統(tǒng)對現(xiàn)有硬件的貪婪需求。雖然有些人通過以老式方式制造真正巨大的微芯片來滿足這一需求——一家名為 Cerebras的初創(chuàng)公司制造了一種芯片，該芯片占據(jù)了通常蝕刻數(shù)十個微芯片的硅晶片的整個表面——其他人，包括 Dr. Iyer 的團隊正在研究由chiplet組成的專注于人工智能的巨型芯片。

從超級計算機到可穿戴設(shè)備

對巨型芯片的熱情表明，它們有朝一日可能會超越目前在性能高于功耗或電池壽命的設(shè)備中的使用。

Kumar 博士說，就像一座通過快速交通系統(tǒng)與郊區(qū)相連的城市一樣，未來的chiplet可以通過更遠的距離和新穎的方式相互連接。

從表面上看，這沒有什么意義，因為將芯片移得更遠會增加它們通信所需的時間。但它至少產(chǎn)生了一個意想不到的好處。與柔性電路連接的較chiplet可用于構(gòu)建柔性計算機。它甚至可以誕生全新類型的設(shè)備。

例如，Kumar 博士的團隊已經(jīng)進行的實驗表明，chiplet可以與柔性電路連接在一起，形成可穿戴系統(tǒng)，或者可以包裹在飛機機翼等表面的系統(tǒng)。Iyer 博士說，他的團隊正在努力創(chuàng)建靈活手機所需的所有構(gòu)建模塊。

盡管巨型芯片面臨挑戰(zhàn)，但將當今的微芯片分解成更小的chiplet，這些chiplet可以重新組裝成更大、更強大的計算 Voltron 的努力正在獲得動力。事實上，沒有它，摩爾定律——微芯片的不斷改進——就無法繼續(xù)。

簡而言之：芯片蔓延才剛剛開始。