開啟芯賽道，重塑芯產(chǎn)業(yè)，軟件定義晶上系統(tǒng)揭秘

先進(jìn)工藝節(jié)點(diǎn)已接近物理極限，晶體管尺寸微縮帶來的紅利越來越少，且由于登納德定律失效，讓芯片提高集成度時面臨更大的功耗與散熱控制挑戰(zhàn)，而隨著大數(shù)據(jù)、云計(jì)算的興盛，市場對大芯片的需求持續(xù)旺盛，但即使不考慮功耗與散熱，良率限制也讓芯片面積并不能任意做大，因此在當(dāng)前技術(shù)背景下，如何構(gòu)建符合設(shè)備/系統(tǒng)發(fā)展要求的大芯片，成為包括集成電路產(chǎn)業(yè)在內(nèi)的整個信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)關(guān)注的熱點(diǎn)研究方向，從片上系統(tǒng)SoC到芯粒Chiplet，把系統(tǒng)往芯片中整合的思路一直都有，但這條路的終極形態(tài)會是什么樣？

軟件定義晶上系統(tǒng)（Software Defined System on Wafer，簡稱SDSoW），這是工程院鄔江興院士提出的概念，直接用完整的晶圓基板來做系統(tǒng)內(nèi)部各模塊的互連底座，用一個密布各種芯粒的晶圓來實(shí)現(xiàn)一個完整的系統(tǒng)，而各模塊之間的連接支持軟件定義，乃至各模塊本身的功能，也可以支持軟件定義。這樣的晶上系統(tǒng)，既從系統(tǒng)角度突破了工藝對提高芯片集成度的限制，又有極強(qiáng)的靈活性與可擴(kuò)展性，更有望解除我國信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)被芯片科技“封印”的風(fēng)險，通過體系結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新反過來還可以引領(lǐng)芯片技術(shù)的發(fā)展，晶上系統(tǒng)似乎是芯片系統(tǒng)工程的終極形態(tài)，雖然當(dāng)前看起來是一條有風(fēng)險的創(chuàng)新之路，但也是必須要去嘗試的必然之路。

近日，鄔江興院士團(tuán)隊(duì)的核心成員向探索科技詳細(xì)介紹了軟件定義晶上系統(tǒng)的發(fā)展情況，他表示，當(dāng)前環(huán)境下，軟件定義晶上系統(tǒng)是探索中國集成電路和微電子怎么走的必然之路，只有把國內(nèi)產(chǎn)學(xué)研用力量整合起來，大家齊心協(xié)力，才有可能取得基礎(chǔ)性突破。

從“逐級插損”到扁平化連接

單芯片性能提升受困于工藝墻，而從芯片到系統(tǒng)的集成過程中還有各種性能浪費(fèi)。最典型的，就是傳統(tǒng)基于器件、組件、模塊、機(jī)架逐層堆疊的工程技術(shù)路線，性能上存在逐級遞減，最先進(jìn)工藝的CPU性能很強(qiáng)，但通過PCB和接插件層層連接做成云服務(wù)器，最終用戶能用到的性能被打了折扣。以物流做譬喻，收件人看到的是一個大箱子，打開大箱子里面有一個大盒子，打開大盒子和防撞泡沫，里面還有一個小盒子，打開小盒子，才是收件人需要的鉆石，逐層堆疊工程技術(shù)路線在不同層之間的性能損耗，就相當(dāng)于物流運(yùn)輸中，為了防撞防摔而層層加出來的盒子箱子，一整套下來消耗的總資源里面，只有很小一部分是為了傳送用戶需要的“鉆石”。

如果能減少層級連接之間的性能損耗，就可以在系統(tǒng)層面得到性能的提升，而且系統(tǒng)各層連接處性能提升的比例還可以相乘，這就打開了工藝桎梏，為系統(tǒng)性能增益的提升提供了新增長空間。

這種破解“逐級插損式工程技術(shù)路線”弊端的方法，就是晶上系統(tǒng)。鄔院士團(tuán)隊(duì)核心成員表示，在當(dāng)前人類所有的加工技術(shù)中，晶圓制造是集成密度最高、經(jīng)濟(jì)性最好、產(chǎn)業(yè)鏈最成熟的，用晶圓互連基板替代PCB，連接不同芯粒，在晶上打造一個完整系統(tǒng)，這個系統(tǒng)的出線密度最高、線路損耗最小。例如，一個晶圓上集成了500個芯粒，有計(jì)算、存儲、通信、互連IO，但是它們之間無論是通信、計(jì)算、存儲還是數(shù)據(jù)搬移，都沒有插入損耗，而且由于晶圓基板互連距離特別近，對驅(qū)動器的驅(qū)動能力要求也得以降低，從而可以降低芯粒的功耗，從而降低整個系統(tǒng)的功耗。

“不要小看互連距離的縮短，這相當(dāng)于把整個芯片世界的限制徹底打開。目前來說，基于晶上互連去集成是最好的技術(shù)，晶圓基板是中央，直接連接到各個芯粒，只需要一級集成，因而無插損，我們形象地稱之為‘扁平化’指揮，一級調(diào)度。”

在晶圓互連基板上，把系統(tǒng)中所有需要的芯粒都連接在一起，是晶上系統(tǒng)的關(guān)鍵，一旦實(shí)現(xiàn)了這一步，芯片系統(tǒng)集成的工程技術(shù)路線就將產(chǎn)生完全顛覆的變革，從工藝、工具到設(shè)計(jì)加工的流程，都要做相應(yīng)的調(diào)整，這意味著在晶圓上的各個芯粒以硅后物理IP的形式高密度集成，這種集成方式，其集成效能和集成性能與SoC內(nèi)部的IP復(fù)用等效。因而晶上系統(tǒng)不僅性能將有數(shù)量級的提升空間，在開發(fā)敏捷性和迭代速度上，也有極大優(yōu)勢。

從剛性結(jié)構(gòu)到結(jié)構(gòu)自適應(yīng)

通過晶圓基板來連接芯粒，是現(xiàn)在異質(zhì)集成技術(shù)的一個主要方向，例如臺積電的CoWoS和3DIC，也是將密度低的PCB互連，換成密度特別高、距離特別近、驅(qū)動力特別小的晶圓基板互連，而近來成立的UCIe標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)盟，就是準(zhǔn)備將晶圓互連的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化，當(dāng)前也有很多中國企業(yè)積極參與到UCIe聯(lián)盟中去。

據(jù)鄔江興院士團(tuán)隊(duì)核心成員介紹，軟件定義晶上系統(tǒng)在互連技術(shù)上將兼容支持UCIe標(biāo)準(zhǔn)，但超高密度硅互連拼裝只是軟件定義晶上系統(tǒng)的技術(shù)基石之一，軟件定義晶上系統(tǒng)的另一個技術(shù)基石是整個系統(tǒng)的軟件定義，即全維可定義系統(tǒng)架構(gòu)體系與軟硬件協(xié)同處理。

從系統(tǒng)層面賦予晶上系統(tǒng)軟件可以定義的屬性，就將晶上系統(tǒng)從一個剛性結(jié)構(gòu)系統(tǒng)變成了結(jié)構(gòu)自適應(yīng)需求的系統(tǒng)。剛性結(jié)構(gòu)雖然成本最優(yōu)，但隨著應(yīng)用場景越來越多變，剛性結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的靈活性和可擴(kuò)展性較差，應(yīng)用變化時，剛性結(jié)構(gòu)效能會大打折扣，或者被提前淘汰，從而導(dǎo)致用戶的總擁有成本反而上升。結(jié)構(gòu)自適應(yīng)系統(tǒng)則可以靈活適配應(yīng)用變化，根據(jù)應(yīng)用任務(wù)對計(jì)算、存儲、通信的不同要求來做出及時調(diào)整，從而自適應(yīng)地以最優(yōu)性能來支持應(yīng)用變化，滿足用戶的不同計(jì)算需求。

這種自適應(yīng)在硬件上體現(xiàn)為芯粒級別的軟件定義與晶圓互連的軟件定義，即可以通過軟件定義來改變芯粒的功能，以及芯粒與芯粒之間的連接屬性，從而適應(yīng)系統(tǒng)應(yīng)用場景的改變，理論上，軟件定義晶上系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)自身資源支持的任意功能，既可在一條技術(shù)路線上根據(jù)應(yīng)用變化不斷升級迭代，又可大規(guī)模重新配置變成一個不同的新設(shè)備。晶上系統(tǒng)支持軟件自定義，可以大幅降低設(shè)計(jì)難度，縮短開發(fā)周期，并顯著減少人力和經(jīng)費(fèi)投入。

具體來看，軟件自定義可以從底至上分為三個層面：在芯粒級別，開發(fā)者將其封裝為可配置的領(lǐng)域?qū)Ｓ眯酒扔忻嫦蛱囟I(lǐng)域的高性能，又有領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用的高靈活性；在系統(tǒng)層面，整個系統(tǒng)的硬件資源池也是可定義的，可以自適應(yīng)改變系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)動態(tài)匹配系統(tǒng)需求；而在應(yīng)用層面，系統(tǒng)可以隨時根據(jù)應(yīng)用變化來生成軟硬件協(xié)同服務(wù)結(jié)構(gòu)，應(yīng)用變化后，相繼影響到下層的系統(tǒng)和芯粒，系統(tǒng)和芯粒將根據(jù)應(yīng)用變化來做出自適應(yīng)配置。

通過這三個層面的軟件定義，可以把晶上系統(tǒng)豐富的邏輯、存儲和帶寬資源極大釋放出來，在軟件定義的支持下，晶上系統(tǒng)既有集約化的高效，又有結(jié)構(gòu)適用應(yīng)用的靈活，與剛性晶上系統(tǒng)相比，軟件定義晶上系統(tǒng)對中國的意義更為重大，這不僅是概念上的創(chuàng)新，還是在極端情況下，確保我國信息產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)水平不發(fā)生嚴(yán)重倒退的關(guān)鍵路徑。

“有了這樣的底層工程技術(shù)路線，就可以用28納米芯片實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)上7納米芯片才能達(dá)到的系統(tǒng)性能。”鄔院士團(tuán)隊(duì)核心成員認(rèn)為，中國在EDA和晶圓制造上比較落后，但是通過協(xié)同制造、封測和系統(tǒng)集成技術(shù)，連乘體系結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新增益，軟件定義晶上系統(tǒng)將有可能為國內(nèi)工藝發(fā)展?fàn)幦〉揭粋€發(fā)展緩沖期，他說：“無論是工藝，還是工具，我們都要尊重技術(shù)發(fā)展規(guī)律，給它5年甚至更多的時間，通過充分的發(fā)展，讓它一代代向前演進(jìn)，在基礎(chǔ)研究上必須要實(shí)事求是。”

從被工藝限制到引導(dǎo)工藝發(fā)展

在應(yīng)用上，軟件定義晶上系統(tǒng)率先瞄準(zhǔn)的是兩個方向。一個方向是大型和超大型信息基礎(chǔ)設(shè)施，一個方向是無人裝置和無人設(shè)備。對于超大規(guī)模信息系統(tǒng)，軟件定義與晶上互連帶來的性能無插損擴(kuò)展與靈活性無與倫比。而越來越復(fù)雜的無人化裝置，要實(shí)現(xiàn)“能看能存能算”的一體化功能，既要求高集成度，又因面對場景復(fù)雜而需求軟件定義，所以也特別適合SDSoW。

鄔院士團(tuán)隊(duì)在2019年提出軟件定義晶上系統(tǒng)SDSoW，2020年已經(jīng)在之江實(shí)驗(yàn)室落地了一個晶上網(wǎng)絡(luò)的先導(dǎo)性項(xiàng)目，該項(xiàng)目是一個8T交換機(jī)，采用SDSoW的工藝流程實(shí)現(xiàn)，雖然還不是可市場化落地的產(chǎn)品，但已經(jīng)在流程上跑通。通過這個項(xiàng)目，鄔院士團(tuán)隊(duì)將國內(nèi)微納電子產(chǎn)業(yè)鏈的能力進(jìn)行了摸底，從而確認(rèn)了軟件定義晶上系統(tǒng)路線的可行性。

“我們判斷落地的可能性很高，目前國內(nèi)設(shè)備、工具和設(shè)計(jì)流程方面的技術(shù)水平，構(gòu)建晶上系統(tǒng)的基礎(chǔ)能力是具備的，但需要摸高式創(chuàng)新，需要搭建新的設(shè)計(jì)流程，擴(kuò)充工具，工程技術(shù)上需要磨合，但不需要基礎(chǔ)理論的突破。”該團(tuán)隊(duì)核心成員表示，軟件定義晶上系統(tǒng)對產(chǎn)業(yè)鏈上下游的協(xié)同要求會更嚴(yán)格，從架構(gòu)、設(shè)計(jì)到工具與工藝，都需要到系統(tǒng)層面做協(xié)同和迭代，原來的設(shè)計(jì)技術(shù)協(xié)同優(yōu)化DTCO，在晶上系統(tǒng)就要升級為系統(tǒng)技術(shù)協(xié)同優(yōu)化STCO。這就給設(shè)備、工具、制造和封測等產(chǎn)業(yè)鏈廠商指引了一條新的發(fā)展思路，根據(jù)晶上系統(tǒng)應(yīng)用需求，來建設(shè)新型工藝平臺。

隨著美國對中國集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展限制手段持續(xù)升級，中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展受到集成電路產(chǎn)業(yè)水平限制的風(fēng)險越來越大，短期內(nèi)，中國晶圓制造工藝水平大幅提升的可能性不大。因而，一方面，我們要加快發(fā)展各種被“卡脖子”的核心技術(shù)；一方面，也要基于我國當(dāng)前集成電路發(fā)展水平，探索其他可能的發(fā)展途徑，軟件定義晶上系統(tǒng)就是立足于當(dāng)前工藝來發(fā)展我國信息乃至智能產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略構(gòu)思。

在科技部十四五規(guī)劃的微納電子專項(xiàng)中，設(shè)立了模塊化組裝與集成方向，包含了如何打通軟件定義晶上系統(tǒng)基礎(chǔ)工藝流程的研究內(nèi)容。兩年多來，鄔江興院士團(tuán)隊(duì)和國內(nèi)多家晶圓廠、封測廠和工具廠商就打通該工藝流程方面進(jìn)行了密切合作，深入溝通，團(tuán)隊(duì)核心成員告訴探索科技：“研究結(jié)果比較樂觀，我們具備好的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，大家對這個方向也很認(rèn)可，我們的看法是，這條路一定能成，不存在失敗，只是三年成還是五年成的問題，只要大家齊心協(xié)力，這個萬億市場新賽道大有可為。”

力出一孔

軟件定義晶上系統(tǒng)是一個大工程，要發(fā)展好必須整合全產(chǎn)業(yè)鏈的資源，圍繞國家戰(zhàn)略，率先在數(shù)據(jù)中心應(yīng)用層面實(shí)現(xiàn)中國的自主標(biāo)準(zhǔn)——既可以做UCIe兼容，又符合中國信息與智能產(chǎn)業(yè)的長期發(fā)展需求。當(dāng)前，參與到軟件定義晶上系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)有四五十家，包括企業(yè)、高校和研究所，但對于軟件定義晶上系統(tǒng)這樣的大工程來說，目前參與的力量還不夠大，尤其與國外相比，國內(nèi)所有芯片投資加起來，都不如英特爾一家多，在這種背景下，如果山頭林立，各設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，那么想發(fā)展好無疑將困難重重。

“我們要探索新型舉國體制，建立最廣泛的統(tǒng)一戰(zhàn)線，形成最磅礴的發(fā)展動力，現(xiàn)在全中國所有集成電路力量集合起來，還不夠壓強(qiáng)突破，如果再搞山頭主義，七國八制，想實(shí)現(xiàn)我國的戰(zhàn)略需求，無論是2035還是2049，都很難！”鄔江興院士團(tuán)隊(duì)核心成員最后強(qiáng)調(diào)，在籌劃中的軟件定義晶上系統(tǒng)聯(lián)盟，目的就是為聚集各方力量，而鄔院士正準(zhǔn)備將專利免費(fèi)開放，以吸引更多商業(yè)公司參與其中，他說：“這不是商業(yè)利益，這是國家利益，我們一定要把SDSoW的產(chǎn)業(yè)落地做成。應(yīng)用強(qiáng)，發(fā)展底座才能堅(jiān)實(shí)，迭代速度才會快，才能開辟我國信息與智能產(chǎn)業(yè)的新局面。”

SDSoW更多技術(shù)細(xì)節(jié)和專利開放情況，敬請關(guān)注將在12月10日舉辦的第五屆軟件定義晶上系統(tǒng)技術(shù)與產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟大會。