UCIe，困難重重

在單個封裝內(nèi)集成多個芯片越來越多地被視為擴(kuò)展摩爾定律的下一個演進(jìn)，但它也帶來了無數(shù)的挑戰(zhàn)——特別是在實現(xiàn)集成來自不同供應(yīng)商的即插即用小芯片的普遍接受的標(biāo)準(zhǔn)方面。

“在某些方面，人們已經(jīng)在這樣做了，”英特爾高級研究員兼 UCIe 聯(lián)盟主席 Debendra Das Sharma 說道?！八麄儗⒍鄠€芯片放在同一個封裝上，我們幾十年來一直在這樣做，追溯到多芯片模塊(MCM)。如果你看看我們今天的主流 CPU，它們都是同一封裝上的多個芯片?！?/p>

然而，當(dāng)這些芯片具有不同的功能或來自不同的供應(yīng)商或代工廠時，將多個芯片組合在一個封裝中就會變得更加復(fù)雜。這就是像 UCIe 這樣的標(biāo)準(zhǔn)變得必要的地方。

“對于市場上的大多數(shù)多芯片產(chǎn)品，同一家公司正在設(shè)計和提供多個芯片，因此他們確切地知道它們?nèi)绾蜗嗷ネㄐ乓约叭绾蝿澐只騽澐中酒盇mkor產(chǎn)品營銷和業(yè)務(wù)開發(fā)高級總監(jiān)Vik Chaudhry 說。“這使得理解一方如何與另一方交談變得更容易一些。UCIe 試圖做的是標(biāo)準(zhǔn)化多個供應(yīng)商之間的互連?！?/p>

雖然其他協(xié)議（例如 Bunch of Wires (BoW)）近年來取得了重大進(jìn)展并且仍在開發(fā)中，但 UCIe 因其得到許多最大的芯片制造商的支持以及對所有主要封裝技術(shù)（包括有機(jī)基板、硅、中介層和 RDL 扇出）的支持而脫穎而出。

但向 UCIe 兼容性的轉(zhuǎn)變不僅僅需要在芯片創(chuàng)建過程中事后考慮。它需要從根本上轉(zhuǎn)變回繪圖板，其中兼容性必須被視為芯片的一個組成部分，而不是作為一種權(quán)宜的解決方案進(jìn)行改造。隨著該標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展，越來越明顯的是，為了讓小芯片真正擁抱 UCIe，必須從頭開始重新構(gòu)思其設(shè)計藍(lán)圖。

“UCIe 是一種布局，”Chaudhry說?！八窃O(shè)計出來的。但請記住，這些小芯片可以來自不同的晶圓廠節(jié)點。第一個可能是 5nm，另一個可能是 3nm，第三個可能是 14nm。您必須以某種方式將這些芯片連接在一起。您需要在運行路線的空間大小方面保持兼容，這就是 UCIe 正在解決的問題。”

向 UCIe 的過渡不僅僅是不同供應(yīng)商適應(yīng)新標(biāo)準(zhǔn)。它需要整個行業(yè)的制造商愿意將其設(shè)計和生產(chǎn)流程與通用協(xié)議保持一致，而該協(xié)議在許多方面仍在進(jìn)行中。

雖然人們普遍認(rèn)為小芯片加先進(jìn)封裝代表了摩爾定律擴(kuò)展的下一個演變，但缺乏完整定義的標(biāo)準(zhǔn)，再加上與現(xiàn)有技術(shù)集成的不確定性，意味著對 UCIe 新設(shè)計的投資目前僅限于市場上最大的參與者。

“任何時候在基板或中介層上放置多個芯片都充滿挑戰(zhàn)，”Chaudhry 補充道?！爱?dāng)我們看到人工智能出現(xiàn)時，我們看到許多供應(yīng)商在一個芯片上放置多個芯片，不僅僅是 3 或 4 個芯片，而是 8、10 或 12 個芯片。隨著同一中介層或基板上的芯片越來越多，復(fù)雜性呈指數(shù)級增長。您還必須測試兩者之間的所有內(nèi)容，這會增加復(fù)雜性和成本。這對任何人來說都是一個巨大的挑戰(zhàn)，目前世界上只有少數(shù)公司有能力投入這些資源和費用來組建一條生產(chǎn)線?！?/p>

此外，UCIe 的采用仍然必須克服可擴(kuò)展性、與現(xiàn)有系統(tǒng)的兼容性以及確保成本影響不超過收益方面的重大障礙。

小芯片的演變

大型芯片制造商至少在最后幾個工藝節(jié)點上受到光罩區(qū)域尺寸的限制，這極大地限制了平面 SoC 上可填充的功能數(shù)量。如今，隨著節(jié)點縮小變得越來越昂貴且更具挑戰(zhàn)性，可用的最佳解決方案是將 SoC 分解為單獨的塊或小芯片。

“一旦芯片變得非常大，你就會遇到光罩的限制，”英特爾的 Das Sharma 說道?！霸谀抢锬銜吹胶芏嗳瞬渴鹦⌒酒；旧鲜菍⒍嘟M芯片封裝在一起以提供一組特定的功能。”

以每秒 50 Tb 的開關(guān)為例，這正在挑戰(zhàn)光罩尺寸的極限。人們越來越需要剖析這些芯片的功能并將其分布到多個組件中。無論是 I/O、內(nèi)存還是 SRAM，關(guān)鍵在于戰(zhàn)略性地將 SoC 分解為更小的單元。這不僅使制造過程更加可行，而且還為更加創(chuàng)新和高效的設(shè)計架構(gòu)打開了大門。

它還提供了一些直接的好處。較小的芯片比較大的芯片產(chǎn)量更高，這就是為什么 Xilinx 在 2012 年將其 28nm FPGA 分成四個不同的芯片，并通過中介層連接。它還提供了增長空間，因為各個小芯片仍然遠(yuǎn)低于掩模版極限。

但所有早期的實現(xiàn)都是同質(zhì)的。它們都是由同一供應(yīng)商使用相同的工藝技術(shù)開發(fā)的。先進(jìn)封裝的一大好處是能夠?qū)悩?gòu)小芯片組合在同一封裝中，從而允許在任何有意義的工藝節(jié)點上開發(fā)模擬電路和不太重要的功能。這是當(dāng)今大型芯片制造商、代工廠和 OSAT 面臨的挑戰(zhàn)，而且這一挑戰(zhàn)尚未得到完全解決。

盡管如此，芯片行業(yè)在一件事上達(dá)成了共識。需要有一種通用方法將所有這些小芯片連接在一起，這就是 UCIe 的用武之地。

UCIe 標(biāo)準(zhǔn)

對支持 UCIe 的電氣特性達(dá)成共識就像用多種樂器編排一首交響樂，每種樂器都有自己的聲學(xué)特征。確保來自行業(yè)不同角落的小芯片能夠有效地連接和通信，需要彌合電壓電平、信號時序和配電方面的差距。

2022 年 3 月，UCIe 聯(lián)盟發(fā)布了 UCIe 1.0，其中包括標(biāo)準(zhǔn)化物理芯片到芯片接口的規(guī)范，旨在促進(jìn)小芯片之間的無縫通信，無論它們是在哪里制造或由誰制造的。這些規(guī)范涵蓋了關(guān)鍵方面，例如電氣特性、物理尺寸以及確保不同芯片組件之間的兼容性和高效數(shù)據(jù)傳輸所需的協(xié)議。

“在 45 微米的先進(jìn)封裝中，這個數(shù)字相當(dāng)驚人，”Das Sharma 說道?！耙悦棵朊科椒胶撩?188 GB 為起點，最高可達(dá)每秒每平方毫米 1.35 TB。人們甚至很難吸收并處理這種帶寬?！?/p>

UCIe 1.0 使用分層協(xié)議方法。物理層是協(xié)議棧的基礎(chǔ)，專門用于定義和管理電子信號，例如時鐘同步和鏈路訓(xùn)練，同時還納入了小芯片之間非數(shù)據(jù)交互所必需的邊帶通信通道。

UCIe 機(jī)制的核心是 Die-to-Die (D2D) 適配器。這個關(guān)鍵接口充當(dāng)看門人，管理鏈路狀態(tài)并促進(jìn)小芯片的協(xié)商參數(shù)，這對于建立可靠的小芯片通信至關(guān)重要。它可以選擇通過循環(huán)冗余校驗 (CRC) 和鏈路級重試功能等機(jī)制來擴(kuò)展數(shù)據(jù)完整性的保護(hù)。這不僅保證了高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，還通過提供仲裁系統(tǒng)來協(xié)調(diào)不同的小芯片協(xié)議，使多個芯片能夠有效地交互。

“UCIe 在這方面非常靈活，”Chaudhry 說?！八С?PCIe 協(xié)議、XML 協(xié)議或流媒體，因此您可以決定要支持哪種協(xié)議。它支持不同的數(shù)據(jù)速率。這是每個人都會支持的最低公分母。如果您采用 3nm 工藝，則可以支持更高的數(shù)據(jù)速率，但如果另一個小芯片位于不同的工藝節(jié)點，那么這兩個部分都將支持規(guī)范的基本最低公分母，然后您可以討論就這一點?！?/span>

UCIe 還采用了緩解互連缺陷的策略，例如固定故障和信號不連續(xù)性。UCIe 內(nèi)的規(guī)定包括實施輔助通道，提供一種在主通道發(fā)生故障時保持連接的方法。這種冗余通過提供容錯和修復(fù)途徑來幫助維持系統(tǒng)功能。

UCIe 本身還支持 PCI Express (PCIe) 和 Compute Express Link (CXL) 等現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)，通過利用這些完善的協(xié)議確保在整個行業(yè)引起廣泛的共鳴。UCIe 的分層方法還包含全面的使用模型。

2023 年 8 月，該聯(lián)盟發(fā)布了 UCIe 1.1 版本，將可靠性機(jī)制擴(kuò)展到更多協(xié)議并支持更多使用模型。這些增強(qiáng)不僅僅是增量的。它們面向汽車等關(guān)鍵領(lǐng)域，而汽車領(lǐng)域則傾向于小芯片。

從 UCIe 1.0 到 1.1 的演變顯而易見的一個關(guān)鍵領(lǐng)域是該標(biāo)準(zhǔn)的預(yù)防性監(jiān)控功能。UCIe 1.1 通過新的寄存器擴(kuò)展了協(xié)議，這些寄存器旨在捕獲詳細(xì)的眼裕度信息（查看寬度和高度），從而提供標(biāo)準(zhǔn)化的報告格式和主動鏈路運行狀況監(jiān)控。UCIe 1.1 沒有重新發(fā)明輪子，而是利用 1.0 版本中現(xiàn)有的周期性奇偶校驗 Flit 注入機(jī)制，通過新的錯誤日志寄存器增強(qiáng)錯誤檢測和報告功能。反過來，這可以改進(jìn)對鏈路修復(fù)必要性的評估。UCIe 1.1 還提供了合規(guī)性測試的增強(qiáng)功能。

另一個值得注意的方面是新用途的出現(xiàn)，特別是流協(xié)議。UCIe 1.0 對此類協(xié)議的支持僅限于原始模式，而 UCIe 1.1 將 FDI 接口上芯片到芯片 (D2D) 適配器的實用性擴(kuò)展到流協(xié)議。此擴(kuò)展可實現(xiàn) CRC 重試電源管理功能的混合，并促進(jìn)多種協(xié)議的共存。

UCIe 1.1 還考慮了先進(jìn)封裝解決方案的成本優(yōu)化，以應(yīng)對不斷縮小的凸點間距和 3D 集成的出現(xiàn)。UCIe 1.1 中引入的額外列排列為混合匹配模具創(chuàng)造了更廣泛的機(jī)會。

“在小芯片環(huán)境中，芯片彼此非常接近，而且海岸線（shoreline）非常有限，”Chaudhry 說。“連接芯片的空間有限，而引腳數(shù)量如何連接、彼此面對，這變得至關(guān)重要。這是 UCIe 正在解決的一件事。引腳位置應(yīng)該是什么？無論是 6 列、8 列還是 16 列，如何安排，以便當(dāng)一個供應(yīng)商具有 8 列配置時，他們可以與具有 12 列配置的供應(yīng)商進(jìn)行通信并進(jìn)行物理連接，而不僅僅是通過物理連接引腳方面，還有連接性和海岸線兼容性？”

互操作性設(shè)計

UCIe 的廣泛采用仍然存在許多技術(shù)障礙。其中包括對精確電氣一致性、可預(yù)測信號領(lǐng)域以及滿足各種節(jié)點和制造工藝的系統(tǒng)物理互連的需求。

“您還可以在其中安裝 HBM，與單個 ASIC 相比，它可能非常高，”Amkor 的 Chaudhry 說道。“你如何解決這些身高差異？當(dāng)您將不同的芯片和不同的小芯片放在一起時，會出現(xiàn)很多不同的問題?！?/span>

熱管理也是高密度封裝的關(guān)鍵要素。不同的工藝節(jié)點不可避免地會呈現(xiàn)出不同的功率分布和散熱特性。彌合這些差距需要創(chuàng)新的熱分布方法和復(fù)雜的翹曲控制，以確保復(fù)雜模塊的結(jié)構(gòu)完整性和可靠的功能。

“熱學(xué)方面存在很多挑戰(zhàn)，”喬杜里補充道?！爱?dāng)您有來自不同工藝節(jié)點的兩個芯片時，如何確保有辦法均勻地耗散功率？這些是我們前進(jìn)過程中遇到的一些挑戰(zhàn)，目前還沒有通用的解決方案。這些都是該聯(lián)盟目前正在考慮的事情?！?/p>

持續(xù)發(fā)展

UCIe 聯(lián)盟的另一個目標(biāo)是確保今天開發(fā)小芯片的任何人在五年后仍然能夠使用該設(shè)計，盡管標(biāo)準(zhǔn)在這段時間取得了進(jìn)展。

“它絕對會發(fā)展，”Chaudhry補充道。“PCI 也做了同樣的事情。他們現(xiàn)在是第 5 代或第 6 代。USB 也是如此，USB 4.0 即將推出。CXL 為 3.1。我們預(yù)計 UCIe 也會發(fā)生同樣的事情。它將不斷改進(jìn)并提出我們的成員可以采用的新的、更靈活的解決方案?！?/p>

“參與的人越多，他們就越會開始調(diào)整事情，”達(dá)斯·夏爾馬補充道?！捌渲杏行┎粫晒Γ行﹨s會非常好。這是一個長達(dá)數(shù)十年的旅程，關(guān)鍵是學(xué)習(xí)、適應(yīng)并繼續(xù)前進(jìn)?！?/p>

結(jié)論

UCIe 計劃旨在通過在 PCB 級模擬外圍組件互連 Express (PCIe) 的成功來徹底改變芯片封裝互連性。通過促進(jìn)芯片封裝內(nèi)的直接芯片間連接，UCIe 致力于大幅降低功耗、提高帶寬效率，并最終降低生產(chǎn)成本。

“UCIe 的好處在于它是一個開放標(biāo)準(zhǔn)，”Chaudhry 說?！翱偣灿写蠹s120名成員，他們都在一起工作。有六個不同的工作組，范圍從機(jī)械到電氣到安全到軟件和營銷，他們在開發(fā)基于小芯片的設(shè)計時提出了新的東西。UCIe 1.0和1.1之間發(fā)生的很多事情基本上都是他們的投入造成的。”