半導(dǎo)體材料與工藝：大型芯片迅速崛起，微芯片被“拋棄”！

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(qiáng)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(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)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(jī)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(shí)：繼續(xù)使芯片更快、我們的設(shè)備更強(qiáng)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(dǎo)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(dá)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(jī)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(qiáng)大的超級計算機(jī)中，而且出現(xiàn)在家用設(shè)備中。微軟的 Xbox 視頻游戲機(jī)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(jī)中 的M1 Ultra 芯片也采用了這種設(shè)計方法，用于超級計算機(jī)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(dāng)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(yùn)行吹風(fēng)機(jī)。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(fèi)者可以預(yù)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(yàn)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(jìn)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(kuò)展”（system scaling）的想法。ASML 的一位發(fā)言人證實(shí)，該公司認(rèn)為系統(tǒng)擴(kuò)展是對 ASML 為縮小微芯片特性所做的工作的補(bǔ)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(kuò)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?yàn)樽罱谝粋€長期以來被芯片行業(yè)忽視的領(lǐng)域進(jìn)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(dāng)它連接到細(xì)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(jìn)行通信）的芯片可能會連接到另一個進(jìn)行通用計算的芯片，它們之間的連接實(shí)際上就是所謂的“總線”。但就像它在現(xiàn)實(shí)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(yùn)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(dá)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?yàn)樗试S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(dá)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(biāo)準(zhǔn)——總部位于愛達(dá)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(xué)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(yùn)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(wù)器、臺式機(jī)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(jī)和服務(wù)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(xiàng)之一。堆疊的chiplet可以讓工程師通過節(jié)省芯片不同部分進(jìn)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(dāng)性能是優(yōu)先考慮的事項(xiàng)時，chiplet也可用于使微芯片更大——更耗電。

AMD 是當(dāng)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(jī)中進(jìn)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(qiáng)大的系統(tǒng)中，但制造它們的趨勢正在加速。廣泛應(yīng)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(xiàng)目數(shù)量增加了 20 倍，當(dāng)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(jìn)行的此類芯片設(shè)計項(xiàng)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(biāo)準(zhǔn)組織的會員。該標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(xué)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(dāng)然，要完成這項(xiàng)工作需要讓很多不同的公司參與進(jìn)來。Sharma 博士說，UCIe 標(biāo)準(zhǔn)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(xué)的Kumar博士不太確定。“在一個如此殘酷的行業(yè)中，對任何事物進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化都是一項(xiàng)挑戰(zhàn)，因?yàn)楸仨氉龀鐾讌f(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(xiàng)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(qiáng)大的微芯片來運(yùn)行從云服務(wù)和智能手機(jī)等各種服務(wù)。，到游戲機(jī)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(xué)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(jī)器學(xué)習(xí)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(tuán)隊(duì)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(jī)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(yuǎn)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?yàn)閷⑿酒频酶h(yuǎn)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(jī)。它甚至可以誕生全新類型的設(shè)備。

例如，Kumar 博士的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)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(jī)機(jī)翼等表面的系統(tǒng)。Iyer 博士說，他的團(tuán)隊(duì)正在努力創(chuàng)建靈活手機(jī)所需的所有構(gòu)建模塊。

盡管巨型芯片面臨挑戰(zhàn)，但將當(dāng)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(qiáng)大的計算 Voltron 的努力正在獲得動力。事實(shí)上，沒有它，摩爾定律——微芯片的不斷改進(jìn)——就無法繼續(xù)。

簡而言之：芯片蔓延才剛剛開始。