繞開先進制程封鎖！中國“小芯片”標準草案即將公示，獨家對話郝沁汾
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編輯 | 漠影
2022年3月，Chiplet儼然成為巨頭擁躉的焦點。3月2日，英特爾、AMD、Arm、臺積電、三星、日月光、高通、微軟、谷歌云、Meta十家巨頭聯(lián)合，發(fā)起一項瞄準chiplet的新互連標準UCIe。僅隔一周，蘋果又甩出了一個性能爆表的頂級電腦芯片M1 Ultra，其中將兩枚M1 Max芯片“粘連”而成的“膠水”封裝****，同樣屬于chiplet技術范疇。這兩起事件，直接將chiplet的熱度推至高潮。
▲蘋果Chiplet專利與M1 Ultra芯片（參考專利US 20220013504A1）
值得注意的是，擁有頂級芯片設計水平的蘋果，并未出現(xiàn)在UCIe標準的首發(fā)成員名單中，其M1 Ultra芯片的實現(xiàn)方式，也與UCIe不同，反倒與我國正在推進的chiplet標準在目的和功能上有些類似。標準的制定對于生態(tài)的擴張至為關鍵，但多位業(yè)內專家或資深人士告訴芯東西，UCIe標準對國內產業(yè)的價值還很模糊，尤其在全球科技“武器化”和美國政府提防中國科技崛起的地緣沖突背景下，這個新標準預計很難為國內廠商提供助力。芯東西獲悉，國內chiplet標準草案現(xiàn)已制訂完畢，即將進入征求意見階段，預計第一季度掛網(wǎng)公示和意見征集，第二季度完成技術驗證計劃制訂，年底前完成技術驗證，并完成標準文本的確定，進行初版標準的發(fā)布工作，首個版本發(fā)布即可用。那么，國內外標準存在哪些異同？這些標準的建立會怎樣影響后摩爾時代芯片的發(fā)展格局？推進此類標準的建設，還需突破哪些障礙？圍繞這些問題，近日，芯東西與無錫芯光互連技術研究院院長、無錫芯光集成電路互連技術產業(yè)服務中心主任、中國計算機互連技術聯(lián)盟秘書長、中科院計算所研究員郝沁汾進行深入交流，解讀chiplet標準建設背后的痛點、趨勢與隱憂。芯謀研究分析師張先揚亦為本文貢獻了有價值的行業(yè)觀點。
▲無錫芯光互連技術研究院院長、無錫芯光集成電路互連技術產業(yè)服務中心主任、中國計算機互連技術聯(lián)盟秘書長、中科院計算所研究員郝沁汾
01.Chiplet：摩爾定律的“救星”
▲部分集成電路互連技術種類示意圖
2015年，Marvell創(chuàng)始人周秀文在ISSCC 2015上提出MoChi（模塊化芯片）架構概念。隨后，AMD率先將chiplet應用于商業(yè)產品中。相比之下，英特爾切入這一技術方向的時間稍晚。2020年1月，英特爾加入由Linux基金會主辦的美國CHIPS聯(lián)盟，并免費提供了AIB互連總線接口許可，以支持chiplet生態(tài)系統(tǒng)的建設。但由于需使用英特爾自家的先進封裝技術EMIB，AIB標準未能廣泛普及。今年3月，英特爾又牽頭發(fā)起一項chiplet新標準，即開篇提到的UCIe標準。
▲隨著先進制程演進，芯片設計成本飆升
相比單芯片設計，基于chiplet設計的芯片，可以進一步提升良率，降低成本，同時性能更強。一顆芯片上有不同功能的模塊組件，如果全用最先進的技術節(jié)點來制造，成本會非常高。而多顆小芯片封裝在一起，通過讓不同功能的芯片模塊分別選用合適的制程工藝，不僅可在技術方面實現(xiàn)各功能的最優(yōu)化，合理利用先進工藝提升那些能夠獲益的芯片內容，也能進一步節(jié)約生產成本，提升所設計芯片的總體性價比。除此之外，芯片面積越大，良品率越低。比如150mm2芯片的良品率有80%，到700mm2已經低至30%。Chiplet采用多顆小芯片組合的思路，以更小的裸片提升總體良率，可以帶來更高的硅利用率和產能。因此，芯片業(yè)已經不再只關注單裸片芯片，而是開始將多個裸片組成的單個芯片集成到系統(tǒng)中，并有越來越多的芯片公司投入相關研發(fā)。但隨著基于chiplet的芯片品類逐漸多樣，缺乏標準的問題逐漸變得棘手。02.不僅要建立標準還必須建立國內原生標準
▲UCIe聯(lián)盟首批成員名單
在郝沁汾看來，英特爾牽頭這些標準的核心動力，是維護和豐富其生態(tài)系統(tǒng)的完整性。UCIe標準明確提出支持CXL和PCIe協(xié)議，而這兩個互連協(xié)議均由英特爾提出和創(chuàng)建。例如，PCIe是x86系統(tǒng)主要的IO總線標準，所有IO設備必須支持PCIe才能和X86 CPU相連。由于目前很多加速器芯片的計算能力，已經可以和主CPU相提并論，因此CXL在IO模式基礎上，又新增了CXL.mem和CXL.cache的模式，以適應技術形勢的發(fā)展。值得注意的是，UCIe聯(lián)盟的初始成員名單中，沒有蘋果、英偉達等芯片圈知名“狠角色”，也完全沒有中國大陸廠商的身影。英偉達可能是因為其業(yè)務高毛利，對成本不敏感，暫時對chiplet這種設計方式不太感興趣，再加上英偉達有自己的片間互連協(xié)議NVLink，與英特爾對數(shù)據(jù)中心場景的一些期望不一致，因此支持UCIe與否不是必須為之。而蘋果上周最新發(fā)布的電腦芯片M1 Ultra，已是在chiplet方向上的一次成功嘗試。至于面向國內芯片企業(yè)，有一個問題值得商榷：UCIe標準的“開放”，究竟是何種程度的開放？
▲UCIe的介紹是一個開放的行業(yè)標準互連
“我們認為的開放，應該是從標準的協(xié)議到參考實現(xiàn)都是開放的，但是我們看到英特爾所標榜的這些標準，從PCIe到CXL、AIB和UCIe，實現(xiàn)參考設計所需要的技術細節(jié)，你都在標準協(xié)議中找不到的?！?/span>郝沁汾曾向另一家更早開展chiplet互連標準制定的美國組織ODSA寫郵件詢問，還托以前的同事去交流，結果對方明確告知，該標準中很多涉及實現(xiàn)的技術細節(jié)是不能對中國開放的。這與美國政府的“視同出口”規(guī)定有關，美國企業(yè)假如沒有申請出口許可就將技術輸向海外，哪怕只是在標準會議中的技術探討，都屬于違規(guī)。因此，在中美關系仍較為緊張的情況下，美國技術聯(lián)盟如果貿然將大陸廠商拉進去，會承擔法規(guī)方面的風險。“標準有國界”的警鐘三年前就敲響過。2019年5月，美國商務部宣布將華為列入實體清單，隨后PCIe組織PCI-SIG曾短暫地停掉華為的會員資格。再結合近期的俄烏戰(zhàn)事，可以看到科技已經“武器化”，假如哪天美國政府再次升級技術出口管制措施，依賴國際標準的國內企業(yè)可能要吃些苦頭。在芯謀研究分析師張先揚看來，UCIe的出現(xiàn)，代表著全球半導體產業(yè)已經進入到成熟的產業(yè)階段。但UCIe是否具有持續(xù)的市場前景，主要看未來chiplet與高度集成的單片芯片是否會形成差異化的市場結構，這一點很像大家在討論的ASIC和FPGA誰是最終歸屬的問題。此外，UCIe產業(yè)聯(lián)盟成員基本可形成一個小的產業(yè)生態(tài)閉環(huán)，這將進一步提高各產業(yè)環(huán)節(jié)的集中度，并鞏固了龍頭優(yōu)勢，是否會真正利好半導體產業(yè)的發(fā)展也是存疑的。“尤其需要注意到英特爾在美國半導體產業(yè)中扮演的敏感角色，在此特定背景下，我們不希望看到UCIe會成為政治化的工具。”他告訴芯東西。張先揚認為，國內方面，我們要繼續(xù)走好自己的路，在加速國產化替代的同時，做好應對一切沖擊的準備，UCIe提供了一種可參考的產業(yè)平臺機制，我們亦可以通過組建內部產業(yè)聯(lián)盟的方式來優(yōu)化產業(yè)分工，進一步加快國內產業(yè)發(fā)展，提高國內半導體產業(yè)對于沖擊的耐受力。這也是郝沁汾決定另起爐灶，在國內構建一套原生chiplet標準的初衷。03.國內外chiplet標準有何異同？
▲UCIe支持的封裝方式
在郝沁汾看來，先進制程停滯背景下，chiplet面臨著很好的機會，但我國面臨的最現(xiàn)實問題，不是先進制程停滯，而是先進制程被禁運了怎么辦？戰(zhàn)略風險在于，倘若UCIe支持的三種先進封裝技術被禁運，大陸廠商想用UCIe協(xié)議，只能采用標準封裝的方式。而采用標準封裝方式的chiplet間互連帶寬，僅有采用先進封裝帶寬的1/6，性能大幅縮水。在標準組成上，UCIe主要由D2D適配層、物理層（含封裝）組成，圖中虛線以上是既有協(xié)議，CXL或PCIe。我國的《小芯片接口總線技術要求》也有類似的組成，由鏈路適配層、物理層及封裝組成。
▲UCIe分層協(xié)議的組成
兩個標準的關鍵區(qū)別之一在于，UCIe在D2D組成的芯片中，加入了一種叫retimer的功能芯片定義，它負責把信號由并行轉成串行，然后以更高速度傳送到較遠的地方。郝沁汾談道，這個目的主要是為了實現(xiàn)英特爾自身在數(shù)據(jù)中心中CPU和內存解耦、資源池化方案。國內《小芯片接口總線技術要求》則不包括這部分內容，而是一個純粹的D2D互連標準。郝沁汾認為，我國的標準更加符合國情。比如在物理層，國內chiplet標準同時支持單端信號和差分信號，單端的信號是一根線，差分信號是一對線，可以把信號傳的更遠一點。通過chiplet將兩個芯片互連，只要支持差分信號，就能使國內某些加速器芯片廠商實現(xiàn)將相同的芯片通過差分信號接口相連，以拓展總體性能的目的。這種先用成熟工藝做出小芯片、再用先進封裝技術把它們拼在一起的方式更加廉價經濟，可替代采用7nm、5nm先進制程工藝生產芯片的昂貴方案。上周蘋果最新推出的最強電腦芯片M1 Ultra，其實現(xiàn)方式與國內的chiplet標準更為類似。而UCIe只支持通過單端信號實現(xiàn)D2D互連，與國內廠商的現(xiàn)階段訴求不一致，實用性欠佳。郝沁汾告訴芯東西，國內chiplet標準既支持像臺積電CoWoS等先進封裝方式，也支持國內先進封裝方法的最新積累，這樣國內企業(yè)萬一被施加技術限制，至少還有個備用方案，而不至于措手不及。04.chiplet是我國必須抓住的技術機會
05.結語：路漫漫其修遠兮
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