注：【 圖片來源：Intel Newsroom 所有者：Ramune Nagisetty 】

小芯片（chiplet）的問世被當成一種標志：人們試圖增強計算機的系統(tǒng)性能，盡管傳統(tǒng)的摩爾定律已經(jīng)接近尾聲。

支持者認為，小芯片的應用不僅會催生更為專業(yè)的系統(tǒng)，還會給芯片行業(yè)帶來更高的產(chǎn)量。更重要的是，這可能會促使無晶圓廠半導體行業(yè)發(fā)生重大轉變，推動這一行業(yè)的最終產(chǎn)品變成小型專用芯片，而這種芯片會與通用處理器以及其他芯片組合在一起。

英特爾在俄勒岡州有一個技術開發(fā)小組，Ramune Nagisetty擔任該小組的首席工程師，她一直致力于幫助全行業(yè)建立小芯片生態(tài)系統(tǒng)。今年三月，Ramune Nagisetty接受了IEEE Spectrum的專訪。

本文中，Ramune Nagisetty就以下幾個方面作出了回答：

1.Chiplet的定義及重要性

2.英特爾的EMIB和應用

3.存在的問題和行業(yè)標準

4.對未來的展望

談到“chiplet”這一概念的界定以及它的重要性時，Ramune Nagisetty表示：

從實際上來說，“chiplet”是一種芯片，封裝了一個IP（知識產(chǎn)權）子系統(tǒng)。它通常是通過高級封裝集成，或者是通過標準化接口使用。至于它們?yōu)槭裁磿兊萌绱酥匾?，這是因為我們的計算和工作類型呈爆炸式增長，目前沒有一種全能的辦法來應對這些問題。從根本上說，對一流技術的異構集成是延續(xù)摩爾定律的一種方式。

Nagisetty認為，異構技術并不是非要硅來完成，它還可以應用其他類型的半導體，例如，鍺或III-Vs。當然，未來我們會有更多種類的半導體技術。雖然，目前我們只有基于硅的小芯片，但它們能夠應用在不同的技術里。它們還可以在數(shù)字、模擬、RF以及內(nèi)存技術等不同的領域進行調(diào)優(yōu)以獲得更好的性能。在這方面，真正的驅動力是存儲器的集成。高帶寬存儲器（HBM）本質上是異構硅封裝集成的第一個證明，而內(nèi)存器本質上是第一種異構集成類型。

那么，英特爾連接小芯片的EMIB（嵌入式多芯片互連橋）是什么，它是如何運轉的呢？Nagisetty表示：

我們可以把它看作是連接兩個芯片的高密度橋梁，這大概是理解EMIB的最好方式。我想，很多人都悉知使用硅介體來作高級封裝襯底的用途，因為它具有緊密的互連性和內(nèi)置硅穿孔，這讓芯片之間的高帶寬連接成為可能。

EMIB（圖中圓圈所示）使用高密度互連連接到同一封裝內(nèi)的芯片

將芯片連接到EMIB的連接凸塊比普通凸塊（左下）具有更精細的間距

注：【 圖片來源：IEEE 所有者：Intel 】

EMIB本質上就是一個非常小的硅介體，它具有非常高密度的互連性。而所謂的微凸塊是連接芯片與芯片的焊料小球，它的密度比標準封裝襯底要高得多。EMIB一般都會被嵌到一個標準封裝襯底中。使用EMIB，你就可以在需要的地方實現(xiàn)最高互連密度，然后再使用一個標準的封裝襯底來完成剩下的互連。

這樣做有很多好處，其中之一就是節(jié)約成本，因為硅介體的成本與面積成正比。在這種情況下，我們能將高密度互連定位到最需要的地方。此外，使用標準的封裝襯底而不是硅介體，在整體嵌入損耗(由于材料特性導致的信號衰減)方面也有好處。

對于英特爾使用EMIB的目的，Nagisetty是這樣解釋的：

英特爾已經(jīng)展示了幾個關于小芯片的應用，雖然其中有兩種基于EMIB技術，但它們非常不同。

第一個是Kaby Lake-G，這是我們將AMD的Radeon GPU和HBM與我們自己的CPU芯片集成而來的。我們使用EMIB集成GPU和HBM。然后我們再通過封裝內(nèi)的PCI Express（一個標準的電路板接口）集成GPU和CPU。

這個產(chǎn)品的真正有趣之處在于，我們使用不同廠商的元件和共同的行業(yè)標準接口（HBM和PCI Express）來創(chuàng)建一流的產(chǎn)品。在本例中，我們使用了一個組件（GPU和HBM），該組件能夠單獨放在一塊板上，然后集成封裝。而PCI Express可以用于遠距離發(fā)送信號，這更像是典型的電路板。將它封裝起來并不是一個最優(yōu)的解決方案，但它的速度夠快。

除了Kaby Lake-G，Nagisetty接下來要討論的是Stratix 10 FPGA：

Stratix 10的中心是英特爾的FPGA，被六個小芯片包圍，其中四個是高速收發(fā)芯片，兩個是高帶寬內(nèi)存芯片，它們都被封裝在一起。這個產(chǎn)品集成了三個廠商貢獻的六種技術，進一步證明了不同廠商之間的互用性。

Stratix 10 FPGA使用了行業(yè)標準的模對模接口AIB，這是英特爾的高級接口總線。它是為這個產(chǎn)品創(chuàng)建的，算得上是一個行業(yè)標準，用于封裝內(nèi)的高帶寬、邏輯到邏輯互連。所以，HBM是內(nèi)存集成的第一個標準，AIB是邏輯集成的第一個標準。

英特爾Stratix 10是使用EMIB連接封裝中小芯片的主要示例

注：【 圖片來源：IEEE 所有者：Intel 】

作為這個生態(tài)系統(tǒng)的中心，AIB接口和FPGA真正偉大之處在于可行的混合匹配模式。目前，許多公司和大學也實施了DARPA的CHIPS（通用異種基因集成和IP重用策略），利用AIB來創(chuàng)建小芯片。

Nagisetty想談的第三個例子是英特爾的Foveros，她說：

這是我們邏輯對邏輯的模堆積，去年十二月我們首次談及了這項技術。在1月份的CES上，我們發(fā)布了相關產(chǎn)品Lakefield。雖然它由小芯片集成，但不是水平疊堆，而是垂直疊堆。

這種類型的集成可以在兩個芯片之間獲得極高的帶寬。但它基于內(nèi)部的專有的接口，而且這兩個芯片基本上要進行同步設計的，以便管理電力輸送和散熱等問題。

就邏輯對邏輯的模堆積而言，行業(yè)內(nèi)標準的出現(xiàn)可能還需要很長的時間，因為模基本上是共同設計的。建立在邏輯之上的存儲堆積可能是三維堆積標準誕生的地方。

Nagisetty還強調(diào)，設計堆疊芯片時，重點要考慮散熱問題：

不難想象，疊模會加劇發(fā)熱的問題，所以我們要仔細設計板面來應對發(fā)熱情況。我們還需要考慮整個系統(tǒng)的體系結構。3D堆疊的應用含義將影響架構決策，不僅是物理架構，而是整個CPU或GPU和系統(tǒng)架構。

此外，如果我們想要展現(xiàn)任何互用性，我們就需要有互用的材料系統(tǒng)。為了實現(xiàn)互用性，我們需要做大量的工作，但是我認為，散熱是最大的挑戰(zhàn)，電源交付和電源管理緊隨其后。

除了上述問題，建立測試的行業(yè)標準也非常重要。

通常，我們會使用封裝完畢的部件進行測試。所以，我們必須把正常運作的小芯片封裝起來，這樣我們就不會因錯誤地封裝了有問題的小芯片，而導致產(chǎn)量下降。因此，我們要想出一個完美的測試策略。另外，我們還需要供應商對電力和熱力的大力支持。這意味著我們要連接所有集成的芯片，以便同時管理電源和熱量。

就電氣可操作性而言，我們?nèi)ツ?月發(fā)布的接口AIB，實際只是一個物理級的標準，即電氣和物理接口。所以，我們還需要有貫穿上層協(xié)議的標準。

最后一個標準是機械標準，這一點很明顯。實際上，微凸塊的放置和塊與塊之間的路徑需要相關的行業(yè)標準來保證互用性。

想要了解一個小芯片是否能夠正常運作，通常要對封裝部件進行熱測試。因此，我們必須在芯片封裝之前測試裸模芯片。測試封裝的部件，或者為封裝部件輸送電力會相對簡單，而在裸模上進行測試會遇到更多挑戰(zhàn)，因為測試需要額外設計測試探頭。

另一件事是，為了測試獨立小芯片而需要的東西都需要設計到芯片中，小芯片必須在封裝前單獨完成測試，這是非常重要的。因為，如果封裝好的芯片里有損壞品，就會浪費一同封裝的好芯片。

這種芯片確實大幅提升了產(chǎn)量，但這只是我們使用它的一個原因，而且不是唯一的原因。產(chǎn)量提高的關鍵因素是在封裝前測試這些芯片。

這種芯片還會改變事物的設計方式，高帶寬內(nèi)存集成就是一個例子。目前，高寬帶內(nèi)存已經(jīng)在GPU和高性能AI處理器中廣泛使用。目前看來，小芯片和內(nèi)存集成已經(jīng)改變了芯片的設計和集成方式。

小芯片的協(xié)同設計無疑是一個重要的發(fā)展領域。我認為，未來，將有不少供應商提供這種小芯片。理解不同芯片供應商的需求，并跨邊界進行通信，這一步非常重要。

小芯片的問世及使用只是一場革命的開始，一個新的產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)將圍繞這一點發(fā)展。它將改變我們設計芯片或封裝部件的方式，改變半導體生態(tài)系統(tǒng)的演變。

關于這個新的生態(tài)系統(tǒng)，Nagisetty十分樂觀：

我認為這對于無晶圓廠初創(chuàng)公司來說是一個非常激動人心的時刻，因為他們有機會創(chuàng)建更小的IP子系統(tǒng)。當它使用小芯片集成時，這個子系統(tǒng)將非常有價值。

DARPA芯片項目的目標之一是，支持知識產(chǎn)權的再利用，并降低生產(chǎn)產(chǎn)品過程中的非經(jīng)常性工程成本總量。小芯片的出現(xiàn)允許無晶圓廠的初創(chuàng)公司專注于自己非常擅長的IP部分，而不必擔心其他內(nèi)容。

小芯片的發(fā)展不僅對無晶圓廠初創(chuàng)公司有所助力，它在DARPA資助的電子復興計劃里也占據(jù)著重要地位。雖然，有能力研發(fā)高端半導體技術的公司數(shù)量在過去幾年有所下降，中小企業(yè)的創(chuàng)新能力也受到了影響，但這對于無晶圓廠的初創(chuàng)企業(yè)來說，是乘勢而上的絕佳機會。

在這一領域將誕生一個創(chuàng)新的平臺，很多變化會從這里開始，很多機會也蘊藏在這里。

為了促進這種基于加速器和封裝集成的新型生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展，有很多事情正在快速發(fā)生。我們并不能算出這場革命還要多久才會到來，但我應該不會花太長時間了，或許就在近些年。

英特爾目前在市場上投放的產(chǎn)品都是尖端例子，可以教我們?nèi)绾卧谖磥韯?chuàng)造新產(chǎn)品。我們雖然有很多集成方案，但才剛剛開始朝這個方向發(fā)展。不過，有了這些技術，我們確實有能力比后來人取得更大的進步。

注：本文編譯自IEEE

【封面圖片來源：網(wǎng)站名IEEE，所有者：Intel】

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