chiplet火起来了,这到底是啥技术?

2019-02-12 13:57:25 来源:StarryHeavensAbove
标签:
芯片   SiP   AI

 

最近,chiplet这个概念热了起来,从DARPA的CHIPS项目到Intel的Foveros,都把chiplet看成是未来芯片的重要基础技术。简单来说,chiplet技术就是像搭积木一样,把一些预先生产好的实现特定功能的芯片裸片(die)通过先进的集成技术(比如3D integration)集成封装在一起形成一个系统芯片。而这些基本的裸片就是chiplet。从这个意义上来说,chiplet就是一个新的IP重用模式。未来,以chiplet模式集成的芯片会是一个“超级”异构系统,可以为AI计算带来更多的灵活性和新的机会。
 
chiplet模式简介
chiplet的概念其实很简单,就是硅片级别的重用。设计一个系统级芯片,以前的方法是从不同的IP供应商购买一些IP,软核(代码)或硬核(版图),结合自研的模块,集成为一个SoC,然后在某个芯片工艺节点上完成芯片设计和生产的完整流程。未来,对于某些IP,你可能不需要自己做设计和生产了,而只需要买别人实现好的硅片,然后在一个封装里集成起来,形成一个SiP(System in Package)。所以chiplet也是一种IP,但它是以硅片的形式提供的。
 
chiplet的概念最早来自DARPA的CHIPS(Common Heterogeneous Integration and IP Reuse Strategies)项目。该项目试图解决的主要问题如下“The monolithic nature of state-of-the-art SoCs is not always acceptable for DoD or other low-volume applications due to factors such as high initial prototype costs and requirements for alternative material sets. To enhance overall system flexibility and reduce design time for next-generation products, the Common Heterogeneous Integration and Intellectual Property (IP) Reuse Strategies (CHIPS) program seeks to establish a new paradigm in IP reuse.”。而它的愿景是:“The vision of CHIPS is an ecosystem of discrete modular, reusable IP blocks, which can be assembled into a system using existing and emerging integration technologies. Modularity and reusability of IP blocks will require electrical and physical interface standards to be widely adopted by the community supporting the CHIPS ecosystem. Therefore, the CHIPS program will develop the design tools and integration standards required to demonstrate modular integrated circuit (IC) designs that leverage the best of DoD and commercial designs and technologies.” 从这段描述来看chiplet可以说是一种新的芯片设计模式,要实现chiplet这种新的IP重用模式,首先要具备的技术基础就是先进的芯片集成封装技术。SiP的概念很早就有,把多个硅片封装在一个硅片里也有很久的历史了。但要实现chiplet这种高灵活度,高性能,低成本的硅片重用愿景,必须要先进的芯片集成技术,比如Intel最近提出的Foveros,3D集成技术。
 
 
 
3D集成技术使我们的芯片规模可以在三维空间发展,而不是传统的限于二维空间。由于在二维空间里,摩尔定律已经很难延续,向三维发展也是一个自然的趋势。此外,正如下图所说的,这种3D集成技术除了提供更高的计算密度之外,还可以让我们重新考虑系统架构(enabling a complete rethinking of system),这个也就是chiplet模式给我们带来的各种新的灵活性,后面再详细讨论。
 
 
这里我们不详细讨论3D集成技术的细节,根据目前的发展,在未来几年,相关技术会越来越成熟,应该能够为chiplet模式的普及做好准备。
 
AI chiplet的优势
总得来说,我个人认为chiplet模式对于AI硬件的长期发展会有非常正面的影响,主要体现在下面几个方面。
第一,工艺选择的灵活性
 
chiplet模式的最大优势之一就是一个系统里可以集成多个工艺节点的硅片(如下图所示)。
 
 
这也是chiplet模式可能支持快速开发,降低实现成本的一个重要因素。大家知道,在芯片设计中,对于不同目的和类型的电路,并不是最新的工艺就总是最合适的。在目前的单硅片系统里,系统只能在一个工艺节点上实现。而对于很多功能来说,使用成本高风险大的最新工艺即没有必要又非常困难,比如一些专用加速功能和模拟设计。如果chiplet模式成立,那么大家在做系统设计的时候则有了更多的选择。对于追求性能极限的模块,比如高性能CPU,可以使用最新工艺。而特殊的功能模块,比如存储器,模拟接口和一些专用加速器,则可以按照需求选择性价比最高的方案。
 
这一点对于AI芯片的发展是相当有利的。首先,AI加速本身就是一个DSA(专用领域架构),其架构本身就是专门为特定运算定制的,具有很高的效率,即使选择差一两代的工艺,也可以满足很多情况的要求。但目前,大多数这个领域的初创公司,都面临工艺选择的困境。如果选择先进工艺,可能一次投片就耗尽所有投资。如果不选,好像一下就输在了起跑线。如果chiplet模式成为主流,大家的工艺选择应该可以更加理性,工艺虽不是最新但性价比最好的chiplet会有更多机会。第二,对于很多可能大幅提升AI运算效率的新兴技术,比如存内计算,模拟计算(包括光计算),它们使用的器件往往只在相对较低的工艺节点比较成熟,和系统的其它部分怎么集成就是个大问题。chiplet模式也可以解决这个问题,则这些技术的开发商可以以chiplet IP的形式提供产品,和其它不同工艺的功能模块集成在一起,而无需受限于Foundry工艺的进展。
 
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