半導體行業觀察 - 從兩顆芯片，看Chiplet的巨大潛力－鑽石舞台

來源：內容由半導體行業觀察（ID：icbank）編譯自forbes，謝謝。

英特爾和 AMD 在本周的國際固態電路大會上討論了他們最先進的一些芯片設計，他們強調了先進封裝在他們未來的高端芯片產品中所扮演的角色。在這兩種情況下，令人印象深刻的新性能能力都來自模塊化方法，這些方法結合了在不同晶圓廠使用不同製造工藝製造的構建塊。這說明了芯片封裝在半導體創新未來的巨大潛力。

英特爾的 Ponte Vecchio 目標市場是作為內置於大型數據中心系統的高性能模塊。它是一種圖形處理單元 (GPU)，專為人工智能、機器學習和計算機圖形學中的應用而設計。它以連接意大利佛羅倫薩阿諾河一側的領主廣場和另一側的皮蒂宮的中世紀石橋命名。

該設計的亮點之一是它如何連接大量專用小芯片——旨在組合成完整系統的集成電路構建塊。

Ponte Vecchio 使用八塊「tile」，採用台積電 (TSMC) 最先進的 5 納米工藝製造。每個 tile 有八個「X e 」核心，而八個核心中的每一個又具有八個向量和八個專用矩陣引擎。這些tile放置在「基礎tile」的頂部，通過一個巨大的交換結構將它們連接到內存和外部世界。該基礎塊採用公司的「Intel 7」工藝製造，這是該公司增強型 10 納米SuperFin製造工藝的新名稱。還有一個稱為「RAMBO」的高性能內存系統，它代表隨機存取內存，帶寬優化，它建立在使用 Intel 7 Foveros的基礎塊上互連技術。還包含許多其他構建塊。

Ponte Vecchio 設計是異構集成的一個案例研究——在一個 77.5 x 62.5 mm（約 3 x 2.5 英寸）的封裝上。就在不久前，如此多的計算能力填滿了一個倉庫，需要自己連接到電網。這種設計中的工程挑戰很多：

1、連接所有部件：設計人員需要一種在所有不同芯片之間移動信號的方法。在過去，這是通過印刷電路板上的電線或走線完成的，然後通過將芯片焊接到電路板上來連接芯片。但隨着信號數量和速度的增加，這在很久以前就失去了吸引力。如果你把所有東西都放在一個芯片中，你可以在製造過程的後端將它們與metal traces連接起來。如果你想使用多個芯片，那就意味着你需要很多連接引腳，並且你希望連接距離很短。英特爾使用兩種技術來支持這一點。首先是它的「嵌入式多芯片互連橋」（EMIB) 它由一小塊硅片製成，一次可以提供數百或數千個連接，第二個是它的 Foveros die-to-die 堆疊技術，首先用於其 Lakefield 移動處理器。

2、確保所有部分都同步：一旦你連接了許多不同的部分，你需要確保所有部分可以同步地相互通信。這通常意味着分配一個稱為時鐘的時序信號，以便所有芯片都能同步工作。事實證明這不是微不足道的，因為信號往往會出現偏差，而且環境非常嘈雜，有很多信號在四處彈跳。例如，每個計算圖塊在 40 平方毫米的空間內有 7,000 多個連接，因此需要保持同步。

3、管理熱量：每個模塊化tile都需要大量電能，並且在整個表面上均勻地輸送電力，同時消除產生的熱量是一個巨大的挑戰。內存芯片已經堆疊了一段時間，但產生的熱量分布相當均勻。處理器芯片或tile可能有熱點，具體取決於它們的使用量，並且管理 3D 芯片堆棧中的熱量並不容易。英特爾在芯片背面使用了金屬化工藝，並將這些與散熱器集成在一起，以處理 Ponte Vecchio 系統預計產生的 600 瓦功率。

英特爾報告的初始實驗室結果包括超過 45 Teraflops 的性能。正在阿貢國家實驗室建造的 Aurora 超級計算機將使用超過 54,000 個 Ponte Vecchios 以及超過 18,000 個下一代 Xeon 處理器。Aurora 的目標峰值性能超過 2 Exaflops，是 Teraflop 機器的 1,000 倍。早在 1990 年代中期，在筆者還在從事超級計算機業務時，一台 Teraflop 機器是一項價值 1 億美元的科學項目。

AMD 的 Zen 3

AMD談到了它的Zen 3基於台積電 7 納米工藝的第二代微處理器內核。該微處理器內核旨在用於 AMD 的細分市場涵蓋了從低功耗移動設備、台式計算機一直到其最強大的數據中心服務器。該策略的中心原則是將其 Zen 3 內核與支持功能打包在單個小芯片上作為「核心複合體」，該小芯片用作模塊化構建塊，就像英特爾tile一樣。因此，他們可以將八個小芯片封裝在一起用於高性能台式機或服務器，或者將四個小芯片封裝在一起用於價值系統，例如我可能購買的廉價家用系統。AMD 還使用所謂的硅通孔 (TSV) 垂直堆疊芯片，這是一種將多個芯片相互連接的方式。

Ponte Vecchio 和 Zen 3 強調的絕佳機會是能夠混合和匹配使用不同工藝製造的芯片。就英特爾而言，這包括自行製造的部件以及台積電最先進的工藝。AMD 可以結合台積電和 GlobalFoundries 的部件。將較小的小芯片或塊連接在一起而不是僅僅構建一個大芯片的一大優勢是較小的芯片將具有更好的製造良率，因此成本更低。您還可以將新的小芯片與經過驗證的舊小芯片混合搭配，這些小芯片您知道是好的，或者是用較便宜的工藝製造的。

AMD 和 Intel 的設計都是技術上的傑作。毫無疑問，它們代表着大量的辛勤工作和學習，代表着巨大的資源投資。但是，正如 IBM 在 1960 年代在其大型機 System/360 中引入模塊化子系統，以及個人計算機在 1980 年代實現模塊化一樣，硅微系統的模塊化分區（以這兩種設計為例並由先進的芯片封裝實現）預示着重大的技術轉變。雖然這裡展示的許多功能仍然是大多數初創企業無法企及的，但我們可以想象，當這項技術變得更容易獲得時，它將引發一波混合搭配的創新浪潮。

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