探讨Chiplet的分区策略

芝能智芯出品

Chiplet技术的核心思想是将传统的单一大芯片拆分为多个独立的小芯片，然后通过先进的封装技术将这些小芯片整合进同一个系统中。

这种方法不仅提升了芯片的可扩展性和灵活性，还为性能提升、成本控制和功耗降低提供了新的途径。Chiplet技术的广泛应用也带来了一些前所未有的挑战，尤其是在芯片分区方面。

Part 1

芯片分区的挑战与变革

大多数主要的系统公司、封装厂、IDM（独立设备制造商）和代工厂都将Chiplet视为提高性能和降低功耗的有效手段。

通过合理的分区设计，工程师可以优化信号路径，减少小芯片间的连接距离，从而降低电阻和电容，减少整体功耗。Chiplet架构还允许工程师针对每个小芯片的功能需求选择最适合的工艺节点，进一步优化性能。

设备功能的增加，从专用加速器到存储器，从CPU到GPU，再到DSP和NPU（神经处理单元），如何高效地规划数据路径、平衡负载、解决信号老化等问题，成为了Chiplet设计中极其复杂的任务。

这种复杂性不仅体现在硬件架构的设计上，还包括如何将应用程序最优地映射到Chiplet系统中，如何实现同步和异步处理，以及如何有效地管理数据的传输和存储。

传统上，通过缩小SoC（System on Chip）中的功能来增加计算密度是优化芯片设计的主要方法。摩尔定律效应的减弱，单纯依靠缩小尺寸带来的成本效益正在下降。

在这种背景下，Chiplet技术应运而生，通过将功能分散到多个小芯片中，不仅避开了传统单一大芯片设计的物理限制，还可以在不同的工艺节点之间灵活切换，为设计者提供了更大的设计空间。

●Chiplet设计的分区策略

Chiplet设计的关键在于合理的系统分区和优先级排序。不同的功能需要根据其特性和需求分配到合适的工艺节点和封装技术中，以实现性能的最优化。

例如，I/O和连接性功能通常不需要随着工艺节点的升级而扩展，因此可以将其保留在较老的工艺节点中，而计算密集型任务则可以利用最新的工艺节点。

在实际设计过程中，Chiplet架构的分区涉及多个层面的决策。

首先，设计师需要确定哪些功能需要分区，哪些功能适合保留在同一芯片中。例如，I/O、SerDes（串行解串器）和PCIe PHY（物理层）等功能在7nm节点中表现最佳，而计算加速器则可以采用2nm或3nm等更先进的工艺节点。

因此，根据功能的技术需求和工艺特点进行合理分区，是Chiplet设计中的关键步骤。

分区决策会影响功耗、性能和封装类型的选择。

设计师需要决定使用传统的有机基板还是更先进的硅中介层或硅桥进行封装。每种封装技术都有其优缺点，设计师需综合考虑，确保系统在整体架构上达到性能与成本的最佳平衡。

在Chiplet架构中，分区还涉及到应用程序的映射问题。设计师需要确定处理任务是在中央计算单元、AI加速器、GPU还是专用加速器上执行，同时还要考虑处理器之间的通信和数据在不同芯片间的传输路径与存储优先级。

这些决策不仅影响芯片的整体性能，还会对系统的功耗产生重要影响。

●分区策略的未来发展方向

随着Chiplet技术的持续发展，分区策略也在不断进化。

Chiplet技术可能会为半导体行业带来更加灵活的设计方案，简化设计流程并加速新产品上市。通过定义标准化的小芯片插槽，设计师可以轻松设计各种功能模块的小芯片，并将它们插入不同的设计中。

这种模块化设计方式使得Chiplet技术在汽车、物联网和高性能计算等领域具有广泛的应用前景。特别是在汽车行业，Chiplet技术被视为定制不同SKU（库存单位）和更新技术的有效途径。

在整个汽车生命周期内，随着技术的进步，制造商可以通过替换小芯片来实现车辆功能的升级，而无需重新设计整个系统。这不仅能延长产品的使用寿命，还能降低制造成本和设计复杂度。

Chiplet技术理论上提供了极大的灵活性，在实际应用中远比想象中复杂。除了电气和热特性外，设计师还需考虑芯片、互连、基板和封装的机械性能。例如，更薄的基板和新的应用场景可能导致热梯度，加速不同小芯片在不同工作负载下的老化。

因此，设计师不仅要重新评估系统的分区策略，还需对整体系统的机械特性进行详细分析，以确保系统的稳定性和可靠性。

机械问题是设计中不可忽视的挑战。开裂、翘曲和空洞等问题可能因温度、振动和信号干扰的变化而出现，严重威胁系统的可靠性。

因此，在Chiplet设计中，设计师必须综合考虑机械和电气特性，确保系统在极端条件下的稳定性。

Part 2

Chiplet分区中的第三方生态系统

随着Chiplet技术的普及，半导体行业正逐步形成一个由第三方供应商支持的Chiplet生态系统。在这个生态系统中，标准化的小芯片可以在不同的设计中重复使用，极大地简化了设计和制造流程。

这一趋势尤其受到汽车OEM（原始设备制造商）的欢迎，因为它们可以通过这种方式快速定制不同的车型，并通过更换小芯片来实现车辆功能的升级。

构建这一生态系统并非易事。设计师面临的最大问题是确保来自不同供应商的小芯片能在同一系统中无缝集成。

AMBA CHI Chip2Chip被视为一种有潜力的技术解决方案，但其尚未在实际硅片上得到验证，因此设计师在实际应用中仍面临较大的不确定性。

Chiplet技术理论上提供了灵活性，但在实际操作中，设计师仍需克服一系列技术和验证难题。

Chiplet技术将成为半导体行业的重要发展方向，更多第三方供应商的加入，设计师将拥有更多的选择，可以根据不同的需求和应用场景选择最合适的小芯片。

这提供更大的设计自由度，促进创新并加快新产品的推出。Chiplet技术将在人工智能、高性能计算和物联网等领域发挥关键作用。

通过不断优化分区策略，设计师可以更加灵活地调整系统架构，以适应不断变化的市场需求。更多标准化接口的推出和验证工具的不断完善，Chiplet技术将逐渐成熟。

小结

Chiplet时代的分区策略为芯片设计带来了全新的思路和挑战，需要综合考虑系统的电气、机械和热特性，合理规划分区策略，以确保系统的性能、功耗和可靠性达到最优。