Chiplet可以讓SoC設(shè)計(jì)變得易如反掌嗎？

理想情況下，chiplet可以像搭積木一樣組合成現(xiàn)成的產(chǎn)品，無(wú)需使用EDA工具。任何人只要能準(zhǔn)確說(shuō)明自己想要什么，就能創(chuàng)建一個(gè)SiP實(shí)現(xiàn)方案，向更廣泛的設(shè)計(jì)人員開(kāi)放芯片，并可能減少部分EDA和設(shè)計(jì)服務(wù)。但它真的會(huì)實(shí)現(xiàn)嗎？

Chiplet在美國(guó)國(guó)防部萌芽時(shí)期的一個(gè)早期概念是一個(gè)開(kāi)放的市場(chǎng)。你可以從市面上現(xiàn)成的產(chǎn)品中購(gòu)買(mǎi)所需的功能，將它們組合成multi-die組件，經(jīng)過(guò)驗(yàn)證和分析后，就能完成硬件設(shè)計(jì)。后來(lái)的想法將這一設(shè)想進(jìn)一步推進(jìn)。如果你可以像搭積木一樣，把chiplet簡(jiǎn)單地拼湊在一起，不需要復(fù)雜的EDA工具或分析，就能確保組合后的組件正常工作，那會(huì)怎樣？

這將是極端的平等主義。幾乎任何一個(gè)能夠指定芯片平臺(tái)行為的人都可以創(chuàng)建一個(gè)SiP設(shè)計(jì)，并由承包商進(jìn)行組裝。即使是沒(méi)有芯片設(shè)計(jì)專(zhuān)長(zhǎng)、只想完成小批量項(xiàng)目的公司，也能制造出復(fù)雜的芯片。

但今天，我們卻看到chiplet應(yīng)用正朝著相反的方向發(fā)展。大型GPU、數(shù)據(jù)中心CPU集群和其它大型項(xiàng)目，都是由資金雄厚的龐大設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的，使用的都是chiplet。最初的平等主義希望是否正在消失？還是一些技術(shù)問(wèn)題仍有待解決？如果是，那么那些待解的問(wèn)題是什么？

四大挑戰(zhàn)????

創(chuàng)建multi-die組件需要解決許多技術(shù)問(wèn)題。其中4個(gè)重要題分別是：chiplet的功能；chiplet之間的互連；基板設(shè)計(jì)；熱分析/機(jī)械分析。

先看下功能。我們可以想象一個(gè)巨大的在線(xiàn)chiplet目錄，就像今天的可重復(fù)使用的芯片IP在線(xiàn)目錄一樣。你可以搜索目錄，找到設(shè)計(jì)所需的功能模塊，然后訂購(gòu)現(xiàn)成的chiplet。這聽(tīng)起來(lái)很簡(jiǎn)單。但事實(shí)證明，與芯片IP的類(lèi)比很有說(shuō)服力。

多年前，許多設(shè)計(jì)人員對(duì)芯片IP抱有類(lèi)似的希望。你只需找到所需的模塊，以RTL或硬宏的形式訂購(gòu)IP，然后將其集成到你的設(shè)計(jì)中。但很快人們就發(fā)現(xiàn)，雖然每個(gè)人都想要IP，但沒(méi)人想要與別人完全相同的功能。A想要一個(gè)Arm內(nèi)核，B想要另一種不同的Arm內(nèi)核，而C想要一個(gè)特定配置的RISC-V內(nèi)核。每個(gè)人都想要推理加速器，但需求都不一樣。每個(gè)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)想要的接口、數(shù)據(jù)通道寬度、最大時(shí)鐘頻率等都略有不同。早期的IP供應(yīng)商都經(jīng)歷過(guò)自己的產(chǎn)品目錄在幾個(gè)基本主題的基礎(chǔ)上發(fā)生大量分散，以至于最后根本無(wú)法管理。

自然而然的解決方案就是使IP可配置。與其授權(quán)IP模塊，不如授權(quán)IP生成器。你可以輸入?yún)?shù)，生成器會(huì)輸出IP模塊，然后就可以將其納入設(shè)計(jì)中。好像很簡(jiǎn)單。但是，可配置IP有兩個(gè)隱藏的權(quán)衡因素。一個(gè)是靈活性與PPA（Power、Performance、Area）。在IP中集成的靈活性越高，就越要留意能效、速度或緊湊性。一個(gè)好的IP生成工具可以幫上忙，但這也會(huì)引發(fā)第二種權(quán)衡：靈活性與易用性。IP模塊越靈活，正確配置就越困難。

用一位不客氣的觀察家的話(huà)說(shuō)，人們很快就會(huì)發(fā)現(xiàn)，這不是在授權(quán)IP，而是在利用IP作為聯(lián)合開(kāi)發(fā)的誘餌。除了少數(shù)情況外，IP開(kāi)發(fā)商最終都會(huì)與IP用戶(hù)合作，共同選擇IP、正確配置IP、將IP集成到芯片設(shè)計(jì)中，并成功完成設(shè)計(jì)流程。

Chiplet與芯片IP有很多共同點(diǎn)，因此可以遇見(jiàn)會(huì)出現(xiàn)類(lèi)似的情況。但有一個(gè)主要區(qū)別，可以肯定的是，在設(shè)計(jì)初期，沒(méi)有任何一家供應(yīng)商會(huì)擁有一個(gè)設(shè)計(jì)所需的所有不同種類(lèi)的chiplet。如今，一個(gè)普通的SoC使用40或50種不同的芯片IP的情況并不少見(jiàn)。而且，即使供應(yīng)商有大致正確的功能，也很可能不是完全正確的功能。錯(cuò)誤的接口、錯(cuò)誤的時(shí)序、錯(cuò)誤的布局等等。

但主要區(qū)別就在這里：chiplet不是一段RTL代碼，而是一個(gè)成品die。供應(yīng)商不能只是編輯一個(gè)文件或重新運(yùn)行一個(gè)IP生成器，然后把新的RTL通過(guò)電子郵件發(fā)送給你。即使是很小的改動(dòng)，也意味著要設(shè)計(jì)、驗(yàn)證和制造一個(gè)全新的die。前端成本很高，而且會(huì)延遲數(shù)月。

剩下的辦法就是FPGA式的可配置性，在chiplet上使用可編程邏輯來(lái)改變接口、時(shí)序，甚至在某種程度上改變功能。但任何FPGA用戶(hù)都知道，這種靈活性并不意味著邏輯可以隨意改變。除了完整的大型FPGA外，再多的可配置性也無(wú)法將Arm chiplet變?yōu)镽ISC-V chiplet，或?qū)PU chiplet變?yōu)镚PU chiplet。

Chiplet供應(yīng)商很可能會(huì)遇到與IP供應(yīng)商相同的問(wèn)題：目錄中永遠(yuǎn)沒(méi)有正確的產(chǎn)品，永遠(yuǎn)沒(méi)有正確的配置。本應(yīng)是簡(jiǎn)單的現(xiàn)成的chiplet銷(xiāo)售變成了聯(lián)合開(kāi)發(fā)。對(duì)于chiplet開(kāi)發(fā)商來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)巨大的商業(yè)模式問(wèn)題。

如果有一個(gè)豐富的供應(yīng)商生態(tài)系統(tǒng)，對(duì)chiplet用戶(hù)來(lái)說(shuō)，這個(gè)問(wèn)題就不那么嚴(yán)重。用戶(hù)可以貨比三家，直到找到自己想要的東西。但這也帶來(lái)了一個(gè)先有雞還是先有蛋的問(wèn)題。如果沒(méi)有供應(yīng)商能夠找到一個(gè)可行的商業(yè)模式，那么就不會(huì)有一個(gè)豐富的供應(yīng)商生態(tài)系統(tǒng)。這種障礙多年來(lái)一直阻礙著芯片IP的發(fā)展，可以說(shuō)正是IP產(chǎn)業(yè)由少數(shù)幾家公司壟斷的主要原因。

互聯(lián)??

下一個(gè)挑戰(zhàn)是chiplet的互聯(lián)問(wèn)題。在某種程度上，業(yè)界已經(jīng)在解決這個(gè)問(wèn)題。UCIe和Bunch of Wires規(guī)范描述了chiplet間傳輸數(shù)據(jù)的高速PCIe接口。它們促進(jìn)了電信號(hào)、格式和基礎(chǔ)協(xié)議層面的兼容性。

但用一位業(yè)內(nèi)專(zhuān)家的話(huà)說(shuō)，它們雖然都是必要的，但還不夠。它們的靈活性足以容納許多不同的高層協(xié)議。因此，它們?yōu)镻HY和MAC層以上的不兼容性留下了很大的空間。要實(shí)現(xiàn)快速組合、正確無(wú)誤的互操作性，還需要更多的特殊性。

同樣，問(wèn)題在于每個(gè)設(shè)計(jì)都有自己獨(dú)特的要求。有些設(shè)計(jì)可能需要以安全數(shù)據(jù)包的形式傳輸數(shù)據(jù)，而另一些設(shè)計(jì)則可能需要數(shù)據(jù)流。還有些設(shè)計(jì)可能需要符合現(xiàn)有的內(nèi)存協(xié)議。有些信號(hào)根本不需要通過(guò)UCIe這樣的高速串行連接來(lái)傳輸，只需將它們從一個(gè)die連接到另一個(gè)die即可。

更復(fù)雜的是，基板上chiplet間的互連與堆棧中chiplet之間的互連完全不同，后者有機(jī)會(huì)以更低的功耗實(shí)現(xiàn)更高的傳輸速率。

要實(shí)現(xiàn)快速組合的互操作性，就需要精確、通用地定義從物理層到應(yīng)用層的各層，哪些協(xié)議將被哪些chiplet以何種方式使用。只有這樣，才能確保將所選的CPU die與相應(yīng)的加密引擎連接起來(lái)時(shí)，兩者能夠真正實(shí)現(xiàn)互聯(lián)。

基板??

所有這些問(wèn)題都與基板有關(guān)，基板是安裝chiplet的一小塊電路板材料或硅片，chiplet之間通過(guò)基板連接。如果每個(gè)項(xiàng)目都要設(shè)計(jì)一個(gè)新的基板，工作量就會(huì)非常大。即使接口已經(jīng)完全確定，還必須布置連接和選擇機(jī)制（焊接凸點(diǎn)、銅柱、光學(xué)接口），以便將chiplet上的信號(hào)連接到基板上的導(dǎo)線(xiàn)或波導(dǎo)。必須對(duì)所有這些連接進(jìn)行分析，以確定其電氣特性，這種分析在某些方面比分析die上的互連更為復(fù)雜。堆棧中chiplet之間的物理連接可能完全不同于chiplet與基板之間的物理連接。

這么大的工作量幾乎排除了任何快速組合設(shè)計(jì)的想法。光是設(shè)計(jì)基板就需要大量的工作和專(zhuān)業(yè)知識(shí)。而且基板價(jià)格昂貴。當(dāng)今高性能multi-die組件中使用的interposer，每個(gè)批發(fā)價(jià)高達(dá)1000美元。這種interposer的來(lái)源也不廣泛。

要解決這個(gè)問(wèn)題，唯一明顯的辦法就是使用現(xiàn)成的基板，但數(shù)量有限。這些基板已經(jīng)為chiplet設(shè)計(jì)了landing pad，并在墊片之間預(yù)設(shè)了互連。原則上，一旦基板設(shè)計(jì)完成并驗(yàn)證了最壞情況下的配置，就無(wú)需再進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析。但這也大大縮小了互連設(shè)計(jì)的選擇范圍。例如，一切都必須嚴(yán)格遵守UCIe的特定解釋?zhuān)ㄗ畲箢l率、焊盤(pán)間距和最大通道數(shù)等規(guī)格?；蛘?，可以接受CPU chiplet的landing pad可能必須在某一特定邊緣上有一個(gè)專(zhuān)用的高帶寬內(nèi)存端口。同樣，靈活性和設(shè)計(jì)工作量也要相互權(quán)衡。

熱分析與機(jī)械分析?

即使在電子設(shè)計(jì)完成后，仍然存在一些問(wèn)題。由于其機(jī)械復(fù)雜性，基于chiplet的SiP需要進(jìn)一步分析。這種分析的一個(gè)分支就是熱分析。你必須確保在最壞的情況下，組件中的chiplet能得到足夠的冷卻，且它們不能在更敏感的元件附近過(guò)熱。在包含HBM（high-bandwidth memory）芯片的組件中，這已經(jīng)成為一個(gè)問(wèn)題。與邏輯芯片相比，HBM芯片的工作溫度范圍較窄，一些設(shè)計(jì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)CPU chiplet正常工作時(shí)，其附近HBM chiplet堆棧的溫度會(huì)超過(guò)其工作溫度范圍。

機(jī)械性能也很重要。在現(xiàn)實(shí)世界中，振動(dòng)、不均勻加熱或其他原因造成的機(jī)械應(yīng)力會(huì)使multi-die組件彎曲。顯然，組件中的元件必須具有類(lèi)似程度的撓性，這樣才不會(huì)損壞脆弱的銅柱、微小的金屬凸點(diǎn)、易碎的焊球甚至屑片本身。這需要逐個(gè)分析。

最初的愿景已死？???????

考慮到所有這些問(wèn)題，最初的“快速組裝、無(wú)需設(shè)計(jì)的SiP”愿景真的能實(shí)現(xiàn)嗎？顯然，我們面臨著巨大挑戰(zhàn)，但也許答案仍然是肯定的。Chiplet和接口種類(lèi)過(guò)多的問(wèn)題即使不能解決，也可以通過(guò)縮小問(wèn)題的范圍來(lái)解決。例如，專(zhuān)注于一個(gè)特定的應(yīng)用領(lǐng)域（例如視覺(jué)處理芯片）來(lái)限制chiplet、總線(xiàn)和架構(gòu)安排的種類(lèi)。至于這種專(zhuān)注是否會(huì)帶來(lái)足夠大的市場(chǎng)總量，足夠讓企業(yè)得以生存，還是個(gè)未決問(wèn)題。

要解決所需分析過(guò)多的問(wèn)題（系統(tǒng)級(jí)時(shí)序分析以確保所有信號(hào)在chiplet間的傳輸速度足夠快、功率分析、故障覆蓋分析以確保整個(gè)組件得到充分測(cè)試、熱分析和機(jī)械分析），可以通過(guò)限制基板上chiplet配置的種類(lèi)來(lái)解決。例如，可以只提供幾種預(yù)配置基板，并大量使用可編程邏輯。然后，對(duì)可能的配置進(jìn)行最壞情況分析，提供工作極限。這樣，任何允許的chiplet配置都能基本保證正常工作。當(dāng)然，這樣做會(huì)放棄一些能效、性能和密度，但可以從設(shè)計(jì)中省去很多分析工作。

因此，如果設(shè)計(jì)對(duì)PPA要求不高，快速組合式解決方案似乎是可行的。Chiplet和基板供應(yīng)商需要做大量的前端工作。事實(shí)上，這種方法可能會(huì)導(dǎo)致單一供應(yīng)商來(lái)提供chiplet和基板。而且，這還需要一些細(xì)致的規(guī)劃，以評(píng)估市場(chǎng)細(xì)分是否有足夠的限制性，使這種方法能夠奏效，但又有足夠的豐富性，使其有充分的利潤(rùn)空間。只有非常大的供應(yīng)商，例如EDA公司或政府實(shí)體，才可能有這樣的資源來(lái)投資于這種高風(fēng)險(xiǎn)的提議。

因此，最終的答案是，技術(shù)上是肯定的，但商業(yè)上只是一種可能性。