大型芯片迅速崛起，微芯片被“抛弃”！

来源：半导体行业观察

如果微芯片是城市，那么让它们变得更好的全行业新战略可以用一个词来概括——蔓延（sprawl）。在某些情况下，我们最强大的设备中的芯片占用了如此多的空间，以至于它们几乎不再被称为“微型”。

工程师实现这一目标的一种方法是将微芯片堆叠在一起。这就像urban infill，只是不再建造高耸的新公寓楼，而是计算机内部通常扁平的硅片正在变成多层，把内存、电源管理和图形等功能的电路堆叠在一起。

推动芯片设计这一趋势的原因是一个简单的现实：继续使芯片更快、我们的设备更强大的压力是无情的，而芯片行业通过缩小晶体管以维持更高性能来跟上步伐的能力正在遇到技术障碍。

因此，半导体工程师通过将芯片更紧密地结合在一起来提高性能。正在出现的是位于我们电子世界核心的微型硅城。在某些情况下，这些蚀刻的晶体组合变得如此之大，以至于它们达到了芯片中罕见的物理尺寸。

目前，大多数芯片的大小约为一角硬币或四分之一，但有些芯片现在已增长到接近****牌的大小，或者在某种情况下，甚至是餐盘大小。

Apple 的 M1 Ultra 芯片在其 Mac Studio 计算机中使用，由 1140 亿个晶体管组成。

这些巨型芯片不仅出现在世界上最强大的超级计算机中，而且出现在家用设备中。微软的 Xbox 视频游戏机和索尼苹果的 PlayStation 5 使用了一些由 Advanced Micro Devices 设计的打新。使用在苹果 Mac Studio 计算机中 的M1 Ultra 芯片也采用了这种设计方法，用于超级计算机和数据中心的英特尔 Ponte Vecchio 处理器核心同样是个大芯片。

但是，当涉及到管理在密集电路中执行的所有计算所产生的额外热量时，这些巨型芯片会给工程师带来挑战。尽管它们可以更节能，但它们的庞大尺寸意味着它们有时最终也会消耗大量电力。例如，英特尔的 Ponte Vecchio 芯片在每次计算的基础上都很高效，但功耗为 600 瓦，几乎足以运行吹风机。如果您想知道为什么您的移动设备中还没有大型芯片，这就是您的答案。

从某些方面来看，巨型芯片只是延续摩尔定律趋势的一种方式——英特尔创始人戈登·摩尔（Gordon Moore）观察到，每两年左右，消费者可以预期每美元的晶体管数量会增加两倍，因此计算能力也会增加一倍。这条经验法则之前已经宣布结束，但芯片只会越来越好。超级芯片只是业界最新的创新，可兑现更高性能的承诺。

荷兰公司 ASML 基本上垄断了制造世界上最先进的芯片所必需的工具，以及最小的晶体管。然而，即使它说要保持摩尔定律的发展，仅仅使芯片上的功能更小是不够的。在2021 年 9 月向投资者的介绍中，它谈到了“系统扩展”（system scaling）的想法。ASML 的一位发言人证实，该公司认为系统扩展是对 ASML 为缩小微芯片特性所做的工作的补充。

用城市的比喻来说，如果一个城市不能缩小其住房单元的规模或提高其交通效率，它就别无选择，只能向上向外扩张——就像新加坡岛的土地面积在过去50 年中几乎增长了四分之一。

在众多中的一个

制造巨型芯片并非易事，部分原因是这样做意味着以纳米级精度将每个芯片组件操纵到位，并且在没有微型焊枪的情况下将它们连接起来。

现在这在很大程度上是可能的，因为最近在一个长期以来被芯片行业忽视的领域进行了创新。该领域是“封装”。这通常是微芯片制造后的一个模糊步骤，当它连接到细线并用塑料包裹，然后放置在电路板上，也用电线覆盖，将其连接到设备的其余部分。

在传统设备中，接收和传输无线电波（例如，通过 Wi-Fi 进行通信）的芯片可能会连接到另一个进行通用计算的芯片，它们之间的连接实际上就是所谓的“总线”。但就像它在现实世界中的等价物一样，这种公共汽车并不是在这些相邻的硅城市之间运输任何东西的快速方式。新的巨型芯片封装反而将这两个芯片——可能还有更多——直接连接起来。结果更像是把所有这些芯片放在一个屋檐下，在一栋高层建筑中。

IBM前封装开发总监 Subramanian Iyer 表示，传统的微芯片必须将其近三分之一的面积（以及同样多的功耗）用于将芯片计算结果传达给设备其余部分的电路。堆叠芯片使它们之间的通信更快，因为它允许它们之间的更多连接，就像在摩天大楼的楼层之间乘电梯旅行比一直穿过建筑物到达最近的邻居更快一样。

美光的232层闪存

这种东西长期以来一直是内存芯片的标准——总部位于爱达荷州博伊西的美光科技刚刚推出了一款 232 层的内存芯片，如果它是一座建筑物，在拉斯维加斯大道上也不会显得格格不入——但仅适用于其他类型的微芯片。

制造巨型芯片和芯片堆叠的基本组成部分是一种新型微芯片，称为“chiplet”。它取消了一些旧式电路，可以更直接地与其他chiplet通信。通过创建许多短而直接的连接——通常由芯片本身所用的同一硅制成，而不是铜或其他金属——这些chiplet可以与其他chiplet融合形成巨型芯片。

伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的电气工程教授 Rakesh Kumar 说，共同构成一个巨型芯片的不同chiplet之间的直接通信使它们能够像一个巨大的微处理器一样运行。

一个极端的例子是英特尔最近发布的 Ponte Vecchio 图形处理器。每个都由 63 个不同的chiplet组成。这些chiplet相互堆叠并挤在一起，总面积为 3,100 平方毫米，包括 1000 亿个晶体管。相比之下，笔记本电脑核心的典型芯片尺寸不到 150 平方毫米，大约是其大小的 1/20，并且有大约 15 亿个晶体管——数量的 1.5%。

使用堆叠chiplet显然是英特尔处理器的未来——其大部分已经发布但尚未发货的服务器、台式机和笔记本电脑处理器都是采用这种技术构建的。英特尔高级研究员 Das Sharma 表示，以这种方式做事“提供了一种全新的芯片制造方法，比传统方法更快、更具成本效益”。

他指出，堆叠chiplet还允许英特尔提高其下一代台式机和服务器芯片的性能，而不会增加其（二维）占用空间或总功耗。这可能看起来有悖常理，但它有助于理解芯片使用的功率量是设计决策，而节省功率是行业的最高优先事项之一。堆叠的chiplet可以让工程师通过节省芯片不同部分进行通信所需的时间和能源，从现有设计中获得更多收益。但是，当性能是优先考虑的事项时，chiplet也可用于使微芯片更大——更耗电。

AMD 是当前chiplet技术时代的先驱，它已经提供了内置少量chiplet的处理器。该公司发现，只需在其 CPU（计算机中进行大量非图形计算的芯片）上堆叠一个内存芯片，就能够显着提高其系统的速度。

群星闪耀的时代

Ansys的产品营销总监 Marc Swinnen 表示，虽然目前基于chiplet的巨型芯片数量可能很少，而且只出现在最强大的系统中，但制造它们的趋势正在加速。广泛应用于微芯片设计行业。（Ansys 的大多数客户都喜欢保持匿名，但其中包括三星。）

该公司发言人表示，自 2019 年以来，Ansys 客户涉及堆叠chiplet的项目数量增加了 20 倍，当时它还处于低个位数。（从角度来看，世界上任何时候正在进行的此类芯片设计项目的总数估计有数百个。）

3 月，一个名为 Universal Chiplet Interconnect Express (UCIe) 的行业联盟宣布，英特尔和 AMD——通常是死对头——都是这个最新标准组织的会员。该标准旨在使任何遵循它的人都可以创建可以与其他制造商制造的芯片连接的芯片。该联盟的成员还包括Arm、台积电、三星等微芯片设计和制造巨头。

为chiplet创建标准连接方式的希望是，在未来，任何公司都可以从任何其他公司购买chiplet，然后将它们组装成他们特定用途所需的任何科学怪人的芯片怪物，联盟主席 Debendra Das Sharma、英特尔高级研究员说，在UCIe，让我们回到城市的比喻上，想象一下，如果你能把纽约、里约和东京最好的地方，然后将它们拼凑成一个适合你特定口味的梦想城市，这是一个多不可思议的事情。

当然，要完成这项工作需要让很多不同的公司参与进来。Sharma 博士说，UCIe 标准的性质和加入该组织的大名鼎鼎的名字足以证明它会成功。

但伊利诺伊大学的Kumar博士不太确定。“在一个如此残酷的行业中，对任何事物进行标准化都是一项挑战，因为必须做出妥协，而且并不是每个人都有动力表现得很好，”他说。

整个行业对这项技术产生兴趣的一个主要驱动力是越来越多的公司（包括亚马逊、谷歌、微软、特斯拉等）希望创建自己的、功能更强大的微芯片来运行从云服务和智能手机等各种服务。，到游戏机和车辆。

“现在有大公司的整个部门，他们的商业主张都取决于他们的硅质量，”Swinnen先生说。

加州大学洛杉矶分校的 Iyer 博士说，还推动人们对巨型芯片产生兴趣的是人工智能和机器学习系统对现有硬件的贪婪需求。虽然有些人通过以老式方式制造真正巨大的微芯片来满足这一需求——一家名为 Cerebras的初创公司制造了一种芯片，该芯片占据了通常蚀刻数十个微芯片的硅晶片的整个表面——其他人，包括 Dr. Iyer 的团队正在研究由chiplet组成的专注于人工智能的巨型芯片。

从超级计算机到可穿戴设备

对巨型芯片的热情表明，它们有朝一日可能会超越目前在性能高于功耗或电池寿命的设备中的使用。

Kumar 博士说，就像一座通过快速交通系统与郊区相连的城市一样，未来的chiplet可以通过更远的距离和新颖的方式相互连接。

从表面上看，这没有什么意义，因为将芯片移得更远会增加它们通信所需的时间。但它至少产生了一个意想不到的好处。与柔性电路连接的较chiplet可用于构建柔性计算机。它甚至可以诞生全新类型的设备。

例如，Kumar 博士的团队已经进行的实验表明，chiplet可以与柔性电路连接在一起，形成可穿戴系统，或者可以包裹在飞机机翼等表面的系统。Iyer 博士说，他的团队正在努力创建灵活手机所需的所有构建模块。

尽管巨型芯片面临挑战，但将当今的微芯片分解成更小的chiplet，这些chiplet可以重新组装成更大、更强大的计算 Voltron 的努力正在获得动力。事实上，没有它，摩尔定律——微芯片的不断改进——就无法继续。

简而言之：芯片蔓延才刚刚开始。