本文轉(zhuǎn)自：半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)縱橫

小芯片架構(gòu)代表了芯片設(shè)計(jì)和集成方式的根本性變革。

隨著傳統(tǒng)芯片架構(gòu)在功耗、散熱和空間方面逼近物理極限，一種新型架構(gòu)正在興起，有望為高性能計(jì)算（HPC）開(kāi)辟一條新的發(fā)展道路。這種架構(gòu)被稱(chēng)為小芯片架構(gòu)（chiplet architecture），它能夠以更低的成本提供比單芯片處理器更高的性能，同時(shí)能耗降低高達(dá)10倍。這些優(yōu)勢(shì)使得小芯片架構(gòu)在未來(lái)高性能計(jì)算和人工智能（AI）工作負(fù)載的驅(qū)動(dòng)方面具有潛在優(yōu)勢(shì)。

小芯片架構(gòu)代表了芯片設(shè)計(jì)和集成方式的根本性變革。如今，大多數(shù)半導(dǎo)體制造商設(shè)計(jì)大型單片芯片，稱(chēng)為片上系統(tǒng)(SoC)，將所有必要的組件——例如處理器內(nèi)核、內(nèi)存、I/O驅(qū)動(dòng)器、信號(hào)處理器等——集成到單個(gè)芯片上。雖然這些組件可能來(lái)自不同的供應(yīng)商，但芯片制造商有責(zé)任確保它們能夠協(xié)同工作。隨著芯片尺寸的增大，制造成本也會(huì)增加，芯片良率則會(huì)下降。

為了利用傳統(tǒng)的單芯片進(jìn)行擴(kuò)展（或橫向擴(kuò)展），數(shù)據(jù)必須離開(kāi)芯片，通過(guò)互連傳輸?shù)狡渌酒Ｈ缃?，隨著人工智能工作負(fù)載的不斷增長(zhǎng)，客戶(hù)在進(jìn)行人工智能訓(xùn)練或推理時(shí)，必須將大量數(shù)據(jù)從一個(gè)芯片傳輸?shù)搅硪粋€(gè)芯片。傳輸這些龐大的數(shù)據(jù)集需要消耗大量電力，并產(chǎn)生巨大的熱量，這兩點(diǎn)都必須通過(guò)系統(tǒng)級(jí)的電源和冷卻系統(tǒng)來(lái)解決。

芯片級(jí)互連架構(gòu)以不同的方式解決尺寸縮放問(wèn)題。它并非將組件直接焊接在芯片上，而是將這些組件插入埋藏在基板中的標(biāo)準(zhǔn)互連線(xiàn)。通用芯片級(jí)互連高速標(biāo)準(zhǔn)(UCIe)于2022年推出，并得到了英特爾、AMD、Arm、谷歌云、Meta、微軟、高通、三星和臺(tái)積電的支持。UCIe提供了一種分層架構(gòu)，可與其他互連標(biāo)準(zhǔn)（例如PCIe、CXL、NVLink和UALink）兼容。

這種小芯片架構(gòu)帶來(lái)了幾個(gè)明顯的優(yōu)勢(shì)。首先，它允許用戶(hù)將芯片組緊密排列，并通過(guò)UCIe連接，從而減少數(shù)據(jù)傳輸（進(jìn)而降低功耗）。小芯片架構(gòu)賦予用戶(hù)更大的靈活性，允許用戶(hù)在系統(tǒng)的特定位置采用特定的處理器，從而更好地平衡性能和成本，而不是被迫使用芯片制造商預(yù)先集成到芯片上的組件。

小芯片架構(gòu)也帶來(lái)了制造方面的優(yōu)勢(shì)。較大的芯片尺寸意味著更高的缺陷率，從而降低良率。由于芯片組將各個(gè)組件以零散的方式連接起來(lái)，因此可以輕松更換有缺陷的組件。這也有助于降低廠(chǎng)商鎖定，使用戶(hù)能夠根據(jù)自身需求選擇最合適的組件。

Cadence Design Systems公司負(fù)責(zé)芯片制造商使用的軟件的芯片和IP解決方案高級(jí)總監(jiān)Mick Posner表示，芯片組的根本優(yōu)勢(shì)在于其封裝級(jí)縮放方法?！叭魏螘r(shí)候，芯片之間的通信，即使芯片彼此相鄰，都會(huì)造成延遲和功耗方面的影響，”P(pán)osner說(shuō)?！耙虼?，在封裝內(nèi)部，效率和性能都會(huì)大大提高。”他說(shuō)，芯片組可擴(kuò)展性?xún)?yōu)勢(shì)的核心在于它能夠突破光刻限制。

“實(shí)際上，你并不是把一個(gè)大型的整體設(shè)計(jì)分割成更小的部分，”P(pán)osner告訴HPCwire?！斑@在10年前或許是起步階段。但現(xiàn)在，芯片組技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)封裝級(jí)的擴(kuò)展，從根本上來(lái)說(shuō)，它創(chuàng)造出的系統(tǒng)規(guī)模遠(yuǎn)超單個(gè)整體芯片所能容納的?！盤(pán)osner表示，雖然芯片組適用于所有領(lǐng)域，但高性能計(jì)算領(lǐng)域正在引領(lǐng)普及，因?yàn)樗麄円呀?jīng)觸及了當(dāng)前芯片設(shè)計(jì)的物理極限。

“如今，封裝光罩尺寸相同的芯片組合在一起，帶來(lái)了性能可擴(kuò)展性和更高的效率，因?yàn)椴辉俨捎脗鹘y(tǒng)的、功耗高的標(biāo)準(zhǔn)芯片間接口，而是轉(zhuǎn)向像UCIe這樣的芯片間接口，這種接口的功耗特性要好得多，”P(pán)osner說(shuō)道?！澳阏谑褂靡惶讟?biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的芯片構(gòu)建模塊來(lái)構(gòu)建系統(tǒng)?！?/p>

芯片組技術(shù)對(duì)于超級(jí)計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)并不新鮮，目前該概念已被應(yīng)用于百億億次級(jí)系統(tǒng)中。橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Frontier超級(jí)計(jì)算機(jī)就采用了基于芯片組的設(shè)計(jì)，并使用了AMD EPYC “Trento” CPU。

人工智能的蓬勃發(fā)展迫使計(jì)算機(jī)制造商另辟蹊徑，以滿(mǎn)足市場(chǎng)對(duì)性能的需求。在半導(dǎo)體領(lǐng)域，像英偉達(dá)這樣的制造商一直在突破光刻技術(shù)的極限，而光刻技術(shù)的極限是由在晶圓上蝕刻電路的光刻機(jī)的物理能力決定的。英偉達(dá)還設(shè)計(jì)了“超級(jí)芯片”，將兩個(gè)GPU和一個(gè)CPU集成在單個(gè)芯片上，以獲得更強(qiáng)大的處理能力；而其他芯片制造商，例如Cerebras，則開(kāi)始生產(chǎn)超大尺寸的芯片。

Cadence產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)總監(jiān)Mayank Bhatnaga表示，小芯片架構(gòu)為AI和HPC站點(diǎn)提供了另一種提供所需處理能力的方式，而無(wú)需像圍繞單一需求那樣完全重新設(shè)計(jì)系統(tǒng)。如今的小芯片架構(gòu)也支持三維設(shè)計(jì)，使組件制造商能夠堆疊組件，從而實(shí)現(xiàn)更高的計(jì)算密度、更低的數(shù)據(jù)延遲和更低的功耗。當(dāng)然，這也帶來(lái)了更高的成本、更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和更大的散熱需求。

標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于確保A公司生產(chǎn)的產(chǎn)品能夠與B公司生產(chǎn)的產(chǎn)品兼容至關(guān)重要。Chiplet社區(qū)和市場(chǎng)雖然仍處于發(fā)展初期，但其核心力量穩(wěn)固，發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁。Bhatnaga表示，采用UCIe是建立芯片組標(biāo)準(zhǔn)的核心，因此也是擴(kuò)大芯片組社區(qū)規(guī)模和范圍的關(guān)鍵。他還指出，芯片社區(qū)中有些人對(duì)采用UCIe持謹(jǐn)慎態(tài)度。他說(shuō)，供應(yīng)商希望確保他們?cè)赨CIe上的投資能夠獲得回報(bào)。

“UCIe的普及對(duì)芯片市場(chǎng)來(lái)說(shuō)確實(shí)是一件好事，”Bhatnaga說(shuō)道?！半S著UCIe的普及，人們相信，如果他們?cè)谛酒鲜褂肬CIe，以后也能在其他項(xiàng)目中與其他合作伙伴一起使用。這確實(shí)很有幫助?！?/p>