小芯片(chiplet)有多重要,英特尔想靠它打造一个新的生态系统

2019-04-16 15:04:22 来源:EEFOCUS
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Ramune Nagisetty正在帮助英特尔在以小芯片为中心的新行业生态系统中建立自己的位置。

小芯片(chiplet)是一种制造系统的方法,这个系统实际上由几个较小的小芯片成,但是从其封装外部看起来就好像所有功能单元都在一颗芯片上一样。在传统的摩尔定律前行的空间日益逼仄之际,小芯片被业界广泛视为可以保持计算行业系统性能继续提升的一种重要举措。支持者表示,小芯片的优势包括更加容易实现专业化的系统、更高的良率等等。但是更重要的是,它们可能会导致无晶圆半导体行业发生重大转变,使得这个行业的目标终端产品可能成为一种在同一个封装内和通用处理器及许多其它专业小芯片组合在一起的小型专用chiplet。Ramune Nagisetty是英特尔俄勒冈州技术开发部门的首席工程师和工艺与产品集成经理,她一直致力于帮助开发一个行业范围的小芯片生态系统。近日,她向记者透露了英特尔的小芯片技术。

 


小芯片是什么?
记者:你怎么定义小芯片,你能不能说明一下为什么小芯片变得重要了?

Nagisetty:小芯片是一块物理硅片。它上面封装了一个完整的IP子系统。通过封装级集成,它可以和其它小芯片集成在一起,通常的集成方式是“高级封装集成”和使用标准化的接口。

至于它们为什么重要了,是因为这个世界上不存在一种放之四海而皆准的通用方案。现在,各种计算和工作负荷都出现了爆炸式的增长,所以出现了各种不同的架构来支持这些不同类型的计算模型。基本上,领先技术的异构集成是保证摩尔定律继续发挥作用的一种方式。

记者:你说的异构技术是不是也包括硅之外的一些半导体材料?

 


Nagisetty:当然,半导体材料不是只有硅一种,还有许多其它类型的半导体材料,比如锗或III-Vs这样的东西。将来我们肯定会拥有更多可用的半导体材料,但是今天主要还是硅。

即便小芯片只使用硅,它们肯定也会在不同的工艺节点上实现。它们通常面向不同应用领域进行性能调整,包括数字电路、模拟器件、RF或者内存技术。

在这里,真正能够发挥小芯片优势的一个地方是内存整合。高宽带的存储器(HBM)是封装内集成异构硅器件的早期成功案例。内存在本质上是一种异构集成,通过使用先进的封装技术,它们获得了飞速的发展。

英特尔的EMIB方案
记者:你们英特尔连接小芯片的方法叫做嵌入式多芯片互联桥,这是个什么东西,它是如何工作的呢?

Nagisetty:你可以把EMIB看成是将两个小芯片连接到一起的高密度桥,这是能够描述它的最佳方式了。我想,很多人都比较熟悉使用硅互插器作为先进封装基板的想法。硅互插器是一种硅衬底,上面有一些密集的互连结构和内置的硅通孔。它们实现了芯片之间的高带宽连接。

EMIB在本质上是一种非常薄的硅中介层,上面有密度非常高的互联结构,我们把它们成为微凸块,EMIB的密度远高于你在其它标准封装基板上发现的那种密度。微凸块是一些微小的焊球,可以把一个芯片连接到另一个芯片上,后者连接到封装内的高密度互联结构上。

基本上,EMIB会嵌入到标准封装基板中。通过EMIB,你基本上可以在需要的任何地方实现最高密度的互联,然后可以使用标准封装基板实现其它地方的互联。

这样做有很多好处,比如它的成本优势。硅互插器的成本和它的面积成正比,我们只在需要的地方实现高密度互联。同样,这种方案在整体插入损耗方面也有可圈可点之处,由于材料特性会导致信号衰减,在大部分地方使用标准衬底、仅在需要位置使用EMIB这种硅互插器可以降低整体损耗。

记者:英特尔现在把EMIB用在哪些芯片上了?

Nagisetty:英特尔实际上有几种不同的小芯片解决方案,我想每一个都谈一谈,因为它有助于揭示我所认为的小芯片未来的三个发展方向。

英特尔现在有两种非常不同的基于EMIB的解决方案。第一个是Kaby Lake-G,我们在这个小芯片上将AMD的Radeon GPU、高带宽内存和我们的CPU芯片集成在了一起。


我们使用EMIB把GPU和HBM集成在一起,使用了封装内部的HBM接口。然后我们在标准电路板级接口上使用了PCI Express,用它来继承GPU和CPU。

这种集成方案的真正有趣之处在于,我们使用的外部开发芯片来自多个代工厂,使用了通用的行业标准接口-HBM和PCI Express-来把它们集成在一起,打造一流的产品。在这种方案下,我们集成的带有HBM的GPU之前是一个能够独立放在电路板上的组件,现在我们把它集成到了一个封装中。PCI Express旨在传输长距离信号,在电路设计中比较普遍。当你把它放到一个封装内时,虽然实际上它不一定是最优的解决方案,但是这是部署最快的一种方案,因为我们利用了现在电子工业中已经存在的接口,而不用重新开发一种用在封装内、可实现最优连接的接口。

记者:这种集成能够提供哪些优势?

Nagisetty:我觉得,最大的优势在于外形尺寸的缩减。对于移动游戏来说,能把小芯片放在笔记本电脑中非常重要。从本质上来说,你总是需要在外形尺寸、功耗和性能之间来回权衡。这种集成实现了真正的优化,能够以尽可能小的尺寸实现同类最佳的性能和功耗。

记者:还有没有其它小芯片的例子?

Nagisetty:我要举的下一个例子是Stratix 10 FPGA。它实际上是英特尔首次展示的EMIB解决

方案。Stratix 10的中心是一个英特尔的FPGA,围绕着它有六个小芯片。其中,有四个是高速收发器,两个是高带宽内存,它们都封装在一个封装之中。这个例子中集成了来自三家代工厂、使用了六种不同的代工节点生产出来的小芯片。因此,Stratix 10进一步证明了不同代工厂生产的器件的互操作性。

此外,这颗芯片中使用了一种被称为AIB的行业标准硅片到硅片接口,这是英特尔的高级接口总线。这是英特尔专为这种芯片设计的总线接口标准,它是实现封装内部高带宽、逻辑到逻辑器件互联的重要支撑。可以说,HBM是用于内存集成的第一个标准,而AIB是用于逻辑器件集成的第一个标准。

AIB这个接口可以和英特尔的EMIB解决方案和硅互插器等竞争性的解决方案一起使用,但是这个接口和作为这个生态系统核心的FPGA的真正伟大的地方在于,它们证明了混合搭配的FPGA方案是可行的方案。有很多不同的公司和大学正在DARPA的CHIPS(通用异构集成和IP重用策略)计划的资助下使用AIB创建小芯片。

记者:还有第三个例子吗?

Nagisetty:我要谈的第三个例子是英特尔的Foveros解决方案,这是我们的逻辑组件上堆叠逻辑组件的芯片方案,我们在去年12月份首次提到该方案,并在今年一月份的CES展会上发布了一款产品-Lakefield。这也是一种小芯片集成,不过它不是水平堆叠,而是垂直堆叠。

这种集成类型使得您可以在两个小芯片之间获得极高的通信带宽,但是和前面那些使用通用标准总线的方案不同,Foveros基于内部专有接口,而且这两个小芯片的耦合性很强,它们基本上都是共同设计的,必须在一起进行分层规划,以管理供电输送和散热这些事情。

对于这种逻辑组件上堆叠逻辑组件方案,可能需要更长的时间才能把它演化成一种工业领域的标准。因为它这上面的芯片基本上都是共同设计的。在逻辑组件上堆叠内存可能会是最先衍生出三维堆叠开发标准的地方。


集成的工程性问题
记者:在设计堆叠芯片时,需要注意那些事项?

Nagisetty:散热是最大的问题。其实,你也可以想象,硅片堆叠会让任何类型的散热问题都变得更为棘手。因此,我们确实需要继续规划分层,以适应、调整各个热点。此外,我们还需要考虑整个系统的架构设计问题。三维堆叠不仅仅涉及到物理架构,它能一直影响到架构决策,而且是整个CPU/GPU和系统的架构。

而且,如果我们想要它实现任何一种类型的互操作性,就需要有支持可互操作的材料。此外,为了支持互操作性,需要做很多事情。不过,最大的挑战还是在散热上,供电输送和电源管理的挑战也不容小觑。

 

 
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