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為什么中國必須有自己的“小芯片”標(biāo)準(zhǔn)？
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，蘋果又甩出了一個性能爆表的頂級電腦芯片M1 Ultra，其中將兩枚M1 Max芯片“粘連”而成的“膠水”封裝大法，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，擁有頂級芯片設(shè)計水平的蘋果，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)對國內(nèi)產(chǎn)業(yè)的價值還很模糊，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，這個新標(biāo)準(zhǔn)預(yù)計很難為國內(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)計第一季度掛網(wǎng)公示和意見征集，第二季度完成技術(shù)驗證計劃制訂，年底前完成技術(shù)驗證，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)的建立會怎樣影響后摩爾時代芯片的發(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、中國計算機(jī)互連技術(shù)聯(lián)盟秘書長、中科院計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)、趨勢與隱憂。芯謀研究分析師張先揚(yáng)亦為本文貢獻(xiàn)了有價值的行業(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、中國計算機(jī)互連技術(shù)聯(lián)盟秘書長、中科院計算所研究員郝沁汾
01.Chiplet：摩爾定律的“救星”
Chiplet是一個舶來詞，因其后綴“-let”表示“小”，因此常被譯為芯粒、小芯片。簡單來說，它能將采用不同制造商、不同制程工藝的各種功能芯片像搭樂高積木般進(jìn)行組裝，從而實現(xiàn)更高良率、更低成本。
▲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)方向的時間稍晚。2020年1月，英特爾加入由Linux基金會主辦的美國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chiplet新標(biāo)準(zhǔn)，即開篇提到的UCIe標(biāo)準(zhǔn)。
UCIe標(biāo)準(zhǔn)在封裝的方式上更加多樣化，比如支持標(biāo)準(zhǔn)的MCM封裝方式，因而更易被采用。“從行業(yè)來說，UCIe的問世，意味著一個可以推廣普及的、真正的chiplet標(biāo)準(zhǔn)到來了。”中國計算機(jī)互連技術(shù)聯(lián)盟秘書長郝沁汾說。
值得注意的是，UCIe聯(lián)盟的初始成員名單囊括了全球最頂級的芯片制造商英特爾、臺積電、三星，最大芯片封測商日月光，以及AMD、Arm、高通等x86和Arm生態(tài)中實力領(lǐng)先的芯片設(shè)計企業(yè)。2021年1月，臺積電總裁魏哲家在財報會議上透露：“對于包括SoIC、CoWoS等先進(jìn)封裝技術(shù)，我們觀察到chiplet正成為一種行業(yè)趨勢。臺積電正與幾位客戶一起，使用chiplet架構(gòu)進(jìn)行3D封裝研發(fā)。”能讓昔日在某些領(lǐng)域互為競爭對手的巨頭們此刻手挽手，足見chiplet的發(fā)展?jié)摿Σ蝗菪∮U。
為什么chiplet勢頭漸盛？這與摩爾定律的放緩有密切關(guān)聯(lián)。
按照摩爾定律，單靠芯片制造商工藝技術(shù)的迭代，每18個月，芯片性能就可以提升一倍。但近些年，由于摩爾定律放緩，3nm、2nm之后再如何往下走尚未可知，先進(jìn)制程演進(jìn)即將停滯。繼續(xù)提升晶體管密度即便在技術(shù)上可行，也會帶來巨額成本。當(dāng)靠工藝提升性能遭逢瓶頸，單芯片設(shè)計的技術(shù)路線很難繼續(xù)走下去，向基于chiplet的芯片設(shè)計技術(shù)轉(zhuǎn)型，已經(jīng)是許多芯片產(chǎn)業(yè)鏈頭部玩家的共識。
▲隨著先進(jìn)制程演進(jìn)，芯片設(shè)計成本飆升
相比單芯片設(shè)計，基于chiplet設(shè)計的芯片，可以進(jìn)一步提升良率，降低成本，同時性能更強(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)計芯片的總體性價比。
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，而是開始將多個裸片組成的單個芯片集成到系統(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)
傳統(tǒng)芯片設(shè)計階段涉及的各種IP都有標(biāo)準(zhǔn)，所以廠商無需擔(dān)心用起來無所依。但chiplet這個新興技術(shù)領(lǐng)域中，可能會涉及到多家同時在做各種功能芯片的各類設(shè)計、互連、接口，如果沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，市場和生態(tài)是做不大的。
于是英特爾振臂一揮，一呼百應(yīng)，把芯片圈最有話語權(quán)的代工商、封測商、芯片設(shè)計龍頭、云計算巨頭聚到一起。
在郝沁汾看來，英特爾牽頭這些標(biāo)準(zhǔn)的核心動力，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)可能是因為其業(yè)務(wù)高毛利，對成本不敏感，暫時對chiplet這種設(shè)計方式不太感興趣，再加上英偉達(dá)有自己的片間互連協(xié)議NVLink，與英特爾對數(shù)據(jù)中心場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，實現(xiàn)參考設(shè)計所需要的技術(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)果對方明確告知，該標(biāo)準(zhǔn)中很多涉及實現(xiàn)的技術(shù)細(xì)節(jié)是不能對中國開放的。
這與美國政府的“視同出口”規(guī)定有關(guān)，美國企業(yè)假如沒有申請出口許可就將技術(shù)輸向海外，哪怕只是在標(biāo)準(zhǔn)會議中的技術(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，會承擔(dān)法規(guī)方面的風(fēng)險。
“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體清單，隨后PCIe組織PCI-SIG曾短暫地停掉華為的會員資格。
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)的市場前景，主要看未來chiplet與高度集成的單片芯片是否會形成差異化的市場結(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，是否會真正利好半導(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，做好應(yīng)對一切沖擊的準(zhǔn)備，UCIe提供了一種可參考的產(chǎn)業(yè)平臺機(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？
2021年5月，中國計算機(jī)互連技術(shù)聯(lián)盟（CCITA）在工信部立項了chiplet標(biāo)準(zhǔn)，即《小芯片接口總線技術(shù)要求》，由中科院計算所、工信部電子四院和國內(nèi)多個芯片廠商合作展開標(biāo)準(zhǔn)制定工作。目前，該標(biāo)準(zhǔn)的第一版草案已經(jīng)完成，按照流程即將于第一季度在工信部中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會網(wǎng)站上掛網(wǎng)征求意見。
值得注意的是，UCIe第一版在2022年1月份發(fā)布，也就意味著它與國內(nèi)chiplet標(biāo)準(zhǔn)開始制訂的時間大致相近。
為什么UCIe不能幫助我們國家的芯片企業(yè)解決關(guān)鍵技術(shù)問題？要回答這個問題，需從協(xié)議本身來看。UCIe支持標(biāo)準(zhǔn)封裝、先進(jìn)封裝，其中標(biāo)準(zhǔn)封裝屬于入門級，只能用在不追求高性能的芯片中，而它列出的英特爾EMIB、臺積電CoWoS、日月光FoCoS-B三種先進(jìn)封裝方式，大陸工廠目前都不支持。
▲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，但我國面臨的最現(xiàn)實問題，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，這個目的主要是為了實現(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)同時支持單端信號和差分信號，單端的信號是一根線，差分信號是一對線，可以把信號傳的更遠(yuǎn)一點(diǎn)。
通過chiplet將兩個芯片互連，只要支持差分信號，就能使國內(nèi)某些加速器芯片廠商實現(xiàn)將相同的芯片通過差分信號接口相連，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實現(xiàn)D2D互連，與國內(nèi)廠商的現(xiàn)階段訴求不一致，實用性欠佳。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
“我們認(rèn)為，集成電路互連技術(shù)現(xiàn)階段對我們國家的價值，主要是解決我們完全無法使用先進(jìn)制程的問題，如采用28nm的芯片，通過chiplet的方式，使其性能和功能接近16甚至7nm工藝的芯片性能。”據(jù)郝沁汾分享，以先進(jìn)制程節(jié)點(diǎn)演變?yōu)樘攸c(diǎn)的傳統(tǒng)集成電路工業(yè)，是物理化學(xué)學(xué)科的高度發(fā)展結(jié)晶，產(chǎn)業(yè)鏈條又大部分分布在美國、歐洲、日本，很難一下子在幾年內(nèi)就縮短距離。
倘若先進(jìn)制程技術(shù)的供應(yīng)受阻，國內(nèi)廠商可以借助集成電路互連技術(shù)，繞道達(dá)成性能目標(biāo)——通過集成電路互連技術(shù)把采用成熟工藝制程的芯片連接在一起，在先進(jìn)封裝技術(shù)的支持下，實現(xiàn)或接近實現(xiàn)一個需要采用先進(jìn)制程做出的芯片性能，就有可能走出一條繞過技術(shù)封鎖的新路徑。
他談道，雖說芯片功耗可能會相對較高，但畢竟“天下沒有免費(fèi)的午餐”，這種技術(shù)手段至少使我們能越過先進(jìn)制程被禁的問題，因此，chiplet是我國面臨的一個絕佳技術(shù)機(jī)會，一定要抓住。“在現(xiàn)有的形勢下，我們必須打造我國原生的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，在特殊情況發(fā)生的時候以備不測。同時我們也要保持開放的心態(tài)。”郝沁汾說，“對一切能夠幫助我們提升標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)含量和質(zhì)量的組織和個人，我們都持歡迎的態(tài)度。”他提到中國從來沒有排斥過西方標(biāo)準(zhǔn)，然而從事實來看，UCIe對大陸廠商不能算作“友好”，由美國企業(yè)主導(dǎo)的“開放生態(tài)聯(lián)盟“可以實現(xiàn)西方意識形態(tài)范圍之內(nèi)的開放，但是對中國而言，盲目相信美國企業(yè)的開放，是非常危險的一件事情。
需明確的是，chiplet不是一種誰都能做的芯片，也不是所有類型的芯片都能從這一技術(shù)方向受益。張先揚(yáng)告訴芯東西，chiplet目前主要針對一些超貴的芯片，其主要優(yōu)勢是產(chǎn)品開發(fā)周期短、成本相對低，但要投入這一技術(shù)，存在前期開發(fā)投入大、成本優(yōu)化有限等問題。
從產(chǎn)業(yè)角度來看，目前只有具有強(qiáng)大設(shè)計能力的公司可以做chiplet。加入國內(nèi)chiplet標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)盟也并非零門檻。“我們的要求是，或者是chiplet的技術(shù)組件供應(yīng)者，或者是用戶，除此之外，并沒有其他的門檻，我們希望大家能多貢獻(xiàn)。”郝沁汾說。他談道，目前，制訂標(biāo)準(zhǔn)的難度主要在于，一方面需要十分有經(jīng)驗的技術(shù)專家，但國內(nèi)相應(yīng)的人才仍很欠缺；另一方面，由于歷史原因，在國內(nèi)，制訂chiplet標(biāo)準(zhǔn)所需的IP成員依然十分匱乏，比如能夠做物理層技術(shù)的公司只有幾家，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。
同時，郝沁汾告訴我們，國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)工作組計劃在今年年中啟動圍繞標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)驗證工作，組織參與企業(yè)共同完成技術(shù)驗證，做一個能真正落地的標(biāo)準(zhǔn)，其中部分經(jīng)費(fèi)由無錫芯光互連技術(shù)研究院提供。即將進(jìn)入征求意見階段的標(biāo)準(zhǔn)草案，預(yù)計將于今年第二季度完成技術(shù)驗證的計劃制訂，年底前完成技術(shù)驗證，并完成標(biāo)準(zhǔn)文本的確定，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)第一個版本的發(fā)布工作，首個版本發(fā)布即可用。郝沁汾還透露，下一步，他們將圍繞技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，開發(fā)相應(yīng)的參考設(shè)計，并孵化相應(yīng)的企業(yè)，以推動我國集成電路行業(yè)圍繞集成電路互連技術(shù)形成更加廣泛的社會分工。
05.結(jié)語：路漫漫其修遠(yuǎn)兮
國內(nèi)《小芯片接口總線技術(shù)要求》標(biāo)準(zhǔn)制定工作的開展，是我國在探索新一代芯片技術(shù)發(fā)展道路上的重要嘗試，尤其在地緣紛爭頻發(fā)的國際背景下，這一嘗試頗具戰(zhàn)略意義。
談及更長遠(yuǎn)的目標(biāo)，郝沁汾希望能在3-5年之內(nèi)，首先使中國計算機(jī)互連技術(shù)聯(lián)盟內(nèi)部的芯片設(shè)計成員能夠使用這個標(biāo)準(zhǔn)。“但是做到像PCIe、CXL這樣的普及程度，還需要更長時間，也需要國內(nèi)企業(yè)的支持。”他提到一個客觀難點(diǎn)，盡管很多國內(nèi)企業(yè)已經(jīng)意識到chiplet標(biāo)準(zhǔn)很重要，但對于一些仍處在求生存階段的芯片廠商來而言，這個標(biāo)準(zhǔn)并不能幫它們解決眼前的生存問題。“從土壤看，國內(nèi)比以前強(qiáng)了很多，比理想的目標(biāo)還有距離。但是我覺得，不放棄，一直做下去，還是會有一些成效的。”郝沁汾說。
作者 | 心緣
編輯 | 漠影
