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深度丨续命摩尔定律,小芯片时代来临!

2020-06-08 14:03
Ai芯天下
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前言:

极小尺寸下,芯片物理瓶颈越来越难以克服,但每到关键时刻,总有新技术将看似走向终点的摩尔定律推一把,而小芯片正在将芯片性能进化引向更具经济效益的未来。

解决节点进化成本控制不住的问题

在近几年先进节点走向10nm、7nm、5nm,问题就不再只是物理障碍了,节点越进化,微缩成本越高,能扛住经济负担的设计公司越来越少。到了5nm节点,设计总成本已经飙高到逾5亿美元,相当于逾35亿人民币。

而守住摩尔定律,关乎利润最大化,如果研发和生产成本降不下来,那么对于芯片巨头和初创公司来说都将是糟糕的经济负担。

基于小芯片(Chiplet)的模块化设计,正是其中解决成本问题的一个极为关键的构想。小芯片也正成为AMD、英特尔、台积电、Marvell、Cadence等芯片巨头为摩尔定律续命的共同选择之一。

知名市场研究机构Omdia预测,小芯片将在2024年全球市场规模扩大到58亿美元,较2018年的6.45亿美元增长9倍。而长远来看,2035年小芯片市场规模有望增至570亿美元。

像搭积木一样的小芯片技术

传统系统单芯片做法是每一个组件放在单一裸晶上,造成功能越多,硅芯片尺寸越大。小芯片的做法是将大尺寸的多核心设计分散到个别微小裸芯片,比方处理器、模拟组件、存储器等,再用立体堆栈的方式,以封装技术做成一颗芯片,类似乐高积木概念。

小芯片技术,就是模块化,搭积木一样的芯片技术。将大的芯片分成N颗小的芯片,而这些小芯片可以单独运行,也可以通过一定的技术连接起来成为一个整体,共同运行。

如果在小芯片技术之下,这颗芯片或许可以分成CPU小芯片,GPU小芯片、NPU小芯片、Modem小芯片、DSP小芯片等等各种小颗芯片。

这种新型的小芯片设计方法,不仅能大大简化芯片设计复杂度,还能有效降低设计和生产成本。更重要的是,小芯片技术可以针对不同的模块进行工艺的调整。

独特优势加速市场延伸

①开发速度更快:在服务器等计算系统中,电源和性能由CPU核心和缓存支配。通过将内存与I/O接口组合到一个单片I/O芯片上,可减少内存与I/O间的瓶颈延迟,进而帮助提高性能。

②研发成本更低:因为小芯片是由不同的芯片模块组合而成,设计者可在特定设计部分选用最先进的技术,在其他部分选用更成熟、廉价的技术,从而节省整体成本。而采用更成熟制程的I/O模块有助于整体良率的提升,进一步降低晶圆代工成本。综合来看,CPU核心越多,小芯片组合的成本优势越明显。

③能灵活满足不同功能需求:随着小芯片的优势逐渐显露,它正被微处理器、SoC、GPU和可编程逻辑设备(PLD)等更先进和高度集成的半导体设备采用。

④市场延伸速度加倍:微处理器是小芯片最大的细分市场,支持小芯片的微处理器市场份额预计从2018年的4.52亿美元增长到2024年的24亿美元;计算领域将成为小芯片的主要应用市场,今年有望占据小芯片总收入的96%。

英特尔:Lakefield处理器与Foveros 3D封装技术

在ISSCC 2020上,英特尔在今年2月的SESSION 8中介绍了10nm与22FFL混合封装的Lakefield处理器,采用的是英特尔的Foveros 3D封装技术,封装尺寸为12 X 12 X 1毫米。Lakefield作为英特尔首款采用了Foveros技术的产品,能够在指甲大小的封装中取得性能、能效的优化平衡。

Foveros封装技术改变了以往将不同IP模块放置在同一2D平面上的做法,改为3D立体式堆叠。做个类比,传统的方式是将芯片设计为一张煎饼,而新的设计则是将芯片设计成1毫米厚的夹心蛋糕。这样可以提升灵活性,并且不需要整个芯片都采用最先进的工艺,成本也可以更低。

英特尔针对互联标准的挑战,首先提出了高级接口总线(Advanced Interface Bus,AIB)标准。在DARPA的CHIPS项目中,英特尔将AIB标准开放给项目中的企业使用。AIB是一种时钟转发并行数据传输机制,类似于DDR DRAM接口。

目前,英特尔免费提供AIB接口许可,以支持广泛的小芯片生态系统,包括设计方法或服务供应商、代工厂、封装厂和系统供应商。此举将加速AIB标准的快速普及,有望在未来成为类似ARM的AMBA总线的业界标准。

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