打造生態(tài)系 小芯片卷起半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)一池春水

在過去數(shù)年的時(shí)間，半導(dǎo)體的2.5D異質(zhì)整合芯片的確解決了很多半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展上所遇到的挑戰(zhàn)，包括舒緩摩爾定律的瓶頸，還有在降低一次性工程費(fèi)用 ( Non-Recurring Engineering；NRE ) 的同時(shí)，還能提供高階處理能力，并且還能提高產(chǎn)量以及縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。

小芯片生態(tài)系統(tǒng)成形
隨著半導(dǎo)體技術(shù)不斷的發(fā)展，在技術(shù)上其實(shí)已經(jīng)不太是個(gè)問題了。特別是近年來先進(jìn)制程的開發(fā)不斷傳出新的捷報(bào)，在摩爾定律的瓶頸上似乎又被工程界不斷開發(fā)出新的道路。因此看今天的半導(dǎo)體發(fā)展，技術(shù)并不是個(gè)太大的難題，主要的問題在于一個(gè)全新商業(yè)模式的形成。
在今天的半導(dǎo)體業(yè)界，許多大型企業(yè)為了加速芯片整合速度，以及提升半導(dǎo)體密度，因而使用了2.5D芯片。事實(shí)上進(jìn)一步觀察這些廠商的規(guī)模，已經(jīng)足以走出一條自己的路，并開創(chuàng)出一條自己的半導(dǎo)體小芯片（Chiplet）生態(tài)系統(tǒng)。
至于不到那么大規(guī)模的半導(dǎo)體企業(yè)，最大的挑戰(zhàn)仍是在于現(xiàn)成小芯片設(shè)計(jì)上的可用性，例如透過這種方式去發(fā)展出異質(zhì)整合芯片（Heterogeneous SoC；HSoC）。如果不是透過小芯片的方式來發(fā)展異質(zhì)整合芯片，其初始HSoC開發(fā)的NRE費(fèi)用將可能會(huì)比傳統(tǒng)SoC還更昂貴。

持續(xù)實(shí)現(xiàn)獲利
事實(shí)上，在半導(dǎo)體制造中的真正革命，所需要的是小芯片的有效商用市場(chǎng)。少了這樣的小芯片生態(tài)系統(tǒng)，小芯片和異質(zhì)整合芯片仍將永遠(yuǎn)是大型半導(dǎo)體制造商的專屬領(lǐng)域，一般中小型半導(dǎo)體廠商根本沒有能力跨入。此類市場(chǎng)的關(guān)鍵是適當(dāng)?shù)膸?kù)存、兼容性、資料文文件和可測(cè)試性。盡管如此，對(duì)于任何的商業(yè)實(shí)體來說，其實(shí)都需要一條更明確的途徑來實(shí)現(xiàn)持續(xù)的獲利，特別是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)這種動(dòng)輒花費(fèi)高額成本的燒錢產(chǎn)業(yè)。
小芯片的推動(dòng)需要生態(tài)圈中許多不同的角色的參與，而建立小芯片市場(chǎng)的起步，非常需要一個(gè)推動(dòng)的力道，這里所指的力道，其中很關(guān)鍵的要素是大量的初期投資，來使小芯片的計(jì)劃啟動(dòng)。在新興市場(chǎng)中，特別是半導(dǎo)體市場(chǎng)，任何先行者都將會(huì)面臨著許多不確定性。因此市場(chǎng)的推動(dòng)者必須準(zhǔn)備一筆大量的投資，并且愿意冒險(xiǎn)?；旧?，一個(gè)強(qiáng)有力的技術(shù)推動(dòng)者（講明了就是一個(gè)龐大的財(cái)團(tuán)），很可能正是帶領(lǐng)這種新技術(shù)典范起飛的關(guān)鍵。

異構(gòu)3D封裝系統(tǒng)
3D整合和封裝技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)在使得在包含多種技術(shù)小芯片的單一封裝中構(gòu)建復(fù)雜的系統(tǒng)成為可能。
從歷史上看，由于功率、性能和成本方面的考慮，高級(jí)整合使用整體式設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)。透過包裝和堆棧技術(shù)的創(chuàng)新，設(shè)計(jì)人員可以將其系統(tǒng)與小芯片整合到單一封裝中，這些小芯片可以使用所選定的制程技術(shù)來優(yōu)化特定功能。
新興系統(tǒng)要求以極小的接口功率來實(shí)現(xiàn)非常高的互連帶寬。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的兩個(gè)關(guān)鍵要素：包括超短距離接口標(biāo)準(zhǔn)和3D整合封裝技術(shù)。

先進(jìn)接口總線AIB
 

圖一 : 可能的異構(gòu)系統(tǒng)封裝范例，該系統(tǒng)使用AIB作為接口將傳感器、ASIC、FPGA、CPU、內(nèi)存和I / O串連在一起。

英特爾的先進(jìn)接口總線（Advanced Interface Bus；AIB）技術(shù)，是芯片對(duì)芯片的PHY級(jí)別傳輸標(biāo)準(zhǔn)，可透過Chiplet的IP庫(kù)來實(shí)現(xiàn)模塊化的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。
AIB使用類似于DDR DRAM接口的并行數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制。AIB與制程和封裝技術(shù)無關(guān)，例如英特爾的嵌入式多晶粒互連橋接（EMIB）或臺(tái)積電的CoWoS等封裝技術(shù)。英特爾現(xiàn)在提供免版稅的AIB接口授權(quán)，以支持廣泛的小芯片設(shè)計(jì)、服務(wù)提供商、代工廠、封裝和系統(tǒng)供貨商等生態(tài)系統(tǒng)。

打造小芯片生態(tài)鏈
許多主要的大型半導(dǎo)體供貨商，例如英特爾、AMD、Marvell，還有一些具有規(guī)模的系統(tǒng)公司（例如思科）都正在投入開發(fā)HSoC異構(gòu)系統(tǒng)，這些科技大廠基本上特性并不相同，而他們投入開發(fā)異構(gòu)系統(tǒng)通常也出于不同的原因。
例如英特爾可能就是這種異構(gòu)技術(shù)的最大采用者，且至少已經(jīng)投入發(fā)展幾種不同的異構(gòu)產(chǎn)品線。例如透過異構(gòu)技術(shù)來打造出優(yōu)化的處理器產(chǎn)品，以及在FPGA產(chǎn)品在線，透過異質(zhì)化的架構(gòu)來完備其FPGA架構(gòu)，使其FPGA可以允許更高速的運(yùn)算處理。
至于AMD則是透過異構(gòu)設(shè)計(jì)來提高芯片的產(chǎn)量，并允許將重點(diǎn)發(fā)展的產(chǎn)品透過最為最先進(jìn)且最昂貴的7nm制程技術(shù)來生產(chǎn)。而思科之所以采用異構(gòu)設(shè)計(jì)，是因?yàn)樗鼈兊南到y(tǒng)已經(jīng)變得非常龐大，透過異質(zhì)架構(gòu)才是最適合的發(fā)展方式。
在所有的這些情況下，工程團(tuán)隊(duì)都在解決非常特定的問題，盡管這些問題不一定會(huì)通用到足以被廣泛采用。我們可以發(fā)現(xiàn)，透過小芯片的使用，讓他們能夠?qū)a(chǎn)品推向市場(chǎng)，而且這些產(chǎn)品比起競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的商品還要更有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。為了避免競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手也獲得相同的技術(shù)，進(jìn)而推出相似的競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品，這些小芯片的供貨商不太可能與其他廠商共享小芯片技術(shù)。

結(jié)語


圖二 : 小芯片的設(shè)計(jì)架構(gòu)示意

在這樣的商場(chǎng)現(xiàn)實(shí)之下，未來主要的半導(dǎo)體公司都將繼續(xù)按著自家私有的小芯片生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展道路走下去。盡管英特爾在幾年前推出了先進(jìn)接口總線AIB標(biāo)準(zhǔn)，正是針對(duì)小芯片之間的相互鏈接而打造，目前Intel也陸續(xù)推出了更新一代的EMIB封裝標(biāo)準(zhǔn)，然而其他小芯片廠商的采用度還有待觀察，在采用上還存在諸多考慮（一般認(rèn)為多半都是出自于各自的利益使然），這樣的考慮也使得小芯片生態(tài)鏈的發(fā)展受到了些許限制與阻礙。
**刊頭圖（source：intel.com）