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芯片制程之戰:超異構突圍?

發布時間:2022-05-28作者來源:薩科微瀏覽:2512


 

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Intel: Meteor Lake Chiplet SoC Up and Running


說到芯片領域的動態,最近一個月內,先是英特爾在4月宣布其[敏感詞]款采用Chiplet設計的大眾SoC“Meteor Lake” 完成通電測試。不過一個月以后,AMD公布其正在計劃加快CPU及GPU規格迭代,將全面導入Chiplet設計,以提高核心數量及運算速度,此外,其新一代5nm Zen 4架構將采用Chiplet設計。這一波超異構、Chiplet浪潮的掀起,不僅將對英特爾和AMD產生深遠的影響,還沖擊了整個半導體行業。



01先進制程:諸神之戰,凡人莫及

芯片苦于制程久矣。近日,臺積電宣布開發1.4納米工藝,晶體管尺寸逼近字面意義上的物理極限。不斷燒錢死磕制程的路線難以為繼,已成了行業公認的事實,原因有三:[敏感詞],性能極限:通過先進制程微縮對芯片性能的提升覆蓋面有限;第二,技術極限:納米級的晶體管集成度和精細化程度非常高,引發了短溝道效應和量子隧穿難題;當然,還有最核心成本極限:


摩爾定律從技術上講或許還能繼續,但從經濟角度講,這是行不通的。


                                                                            --半導體行業分析師Douglas O’laughlin




從制造成本、設計成本再到量產成本,隨著半導體行業向更小的工藝節點遷移,先進制程芯片的成本陡然劇增。到了5nm以下,建造一座先進制程的晶圓廠動輒需要上百億美元的投入,讓大部分的企業望洋興嘆。如今,縱觀全球的晶圓代工廠,實際有能力生產5nm以下芯片制程的企業僅剩三家:Intel,TSMC,Samsung,而芯片巨頭如聯電、格羅方德都已幾乎放棄了先進制程的研究。先進制程的賽道已成“諸神之戰,凡人莫及”,對行業生態發展造成了極大的制約。


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Chiplet Meets The Real World -- Benefits and Limits of Chiplet Designs ” (Source:AMD)


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FinFET時代玩家僅剩英特爾、臺積電、三星(Source: Yole Développement)



02制程越小,性能真的越高?


先進制程可以理解為同樣功耗、尺寸下可以獲得更好的性能。那么,真的是制程越小,芯片就越好嗎?從應用領域劃分,芯片可分為民用級,工業級和軍用級。我們通常所說的先進制程芯片,往往應用于如手機、平板、電腦等民用級產品,而工業級和軍用級芯片,甚至民用級的車規級芯片,對芯片的制程要求遠沒有那么苛刻。舉例來說,運載火箭拉著核彈頭起飛,要求命中一萬公里外的目標,其所搭載的芯片是10nm還是40nm關系不大,反而更需要關注芯片在各類[敏感詞]環境下的可靠性和耐久度。

從芯片的結構功能出發,先進制程對芯片性能的提升,所能惠及的芯片類別主要為邏輯芯片,而非邏輯芯片(如存儲、模擬)在平面上的微縮,所帶來的成本優勢從多年前就開始減弱:

世界半導體貿易統計組織(WSTS)將所有半導體按照結構功能劃分為集成電路、分立器件、光電子器件與傳感器四類:

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邏輯芯片:人類芯片科技的皇冠,制作工藝復雜,如CPU、GPU、AI、MCU。受益于先進制程技術的進步,邏輯芯片依然沿著摩爾定律向前演進,現在已經5nm產線已經量產,3nm已排上日程。


存儲芯片:與邏輯芯片相比,內部結構相對簡單,主要分為DRAM、NAND Flash、NORFlash三類。以DRAM為例,當制程到了18/16nm以下,繼續縮減尺寸已不再具備成本和性能方面的優勢。



模擬芯片:我們的一切感知都可以歸結到模擬世界,參與這些信息處理的芯片就是模擬芯片;我們無法感知,但客觀存在的模擬信號處理芯片,比如微波,電信號處理芯片等,也屬于模擬范疇。模擬芯片不受制于摩爾定律和高端制程,強調高信噪比、低失真、低耗電、高可靠性和穩定性,業界普遍認為28nm~65nm為其性能最優節點,制程的縮小反而可能導致模擬電路性能的降低;而被廣泛地應用在IoT領域的傳感器和光電器件,則因為工藝不同,無法集成到CMOS中。


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Limited and Divergent Scale Factors(Source: AMD)


綜上所述,先進制程雖好,但其適用范圍也有局限性,特別是在同一個制程上安排不同類型的芯片,為芯片設計帶來了更多的挑戰。那么,進入3nm及以下工藝,要如何繼續提升各類芯片性能? 種種跡象都指向了“超異構計算”。



03超異構計算,何以為“超”

要了解超異構,首先要理解什么是異構。從字面意思來看,異構就是同構的反義詞,即“不同的架構或者結構”。用核酸測試舉例,十個大白同去一個街道給居民們測核酸,計劃每人負責十分之一的居民,這就是同構。但是在執行過程中,大白發現,居民們的情況不同,有些樓棟有陽性患者,需要上門檢測;有些居民不積極,需要多次催促;有些居民腿腳不便,需要專人攙扶;此外,還有核酸碼掃描、登記,發放抗原試劑等工作。于是,大白們根據實際需求重新劃分了工作職責,進行人員的安排和工作的優先級劃分,如陽性樓棟最后采樣,從而[敏感詞]限度地提高工作效率,這就是異構。


而“超異構計算”,則在于超過了異構計算的瓶頸,它可以把很多現有的、不同節點上已經驗證過的晶片集成在一個封裝里(經過協調,大白和來自其他地區的民警、居委會人員、甚至外省支援的人員,共同應對情況復雜的街道)。超異構計算在傳統的異構計算基礎上,通過更強大的模塊化Chiplet能力,封裝互連能力和軟件能力,將越來越復雜的系統整合成了宏系統芯片MSOC(Macro-System on Chip)。

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Source: 2021 Architecture Day


如今,基于超異構計算的架構創新正在成為芯片巨頭們的未來驅動力。通過一連串的收購和自研行為,全球三大處理器頭部廠商都在向CPU+GPU+FPGA/NPU的方向靠攏,構建超異構計算體系。


NVIDIA擬收購 Arm,其目的在于增強其服務器CPU能力,雖然最終未能收購成功,NVIDIA仍獲得了未來10年Arm開發授權。

AMD對賽靈思的收購,也釋放出強化異構計算布局的信號,成功彌補了FPGA短板。同時,賽靈思在異構計算上也有所積累,已推出Versal ACAP異構計算平臺,以縮短車載多傳感器同步和融合所帶來的系統整體響應時間。冥冥之中,超異構計算時代已起飛。



03Chiplet,超異構未來驅動力

在“超異構”的三大核心能力中,被通俗地解釋為 “樂高積木” 的Chiplet技術,被視為“超異構”的關鍵驅動力。這正是AMD在新一代5nm Zen 4架構中采用,并與臺積電聯合研發的用于CPU封裝的技術。與傳統芯片設計方式相比,Chiplet具有迭代周期快,成本低,良率高等一系列優勢:


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Intel Ponte Vecchio Suspended


1

降低芯片成本

SoC設計的一大難題是,不同的模塊對制程的敏感度不同,如模擬電路、大功率 I/Os 、射頻等對制程不敏感,沒有使用高端制程的必要。所以,如果可以將像搭積木一樣制造芯片,針對功能選擇合適的制程,不但能讓芯片尺寸變得更小,還可以提高良率,降低制造成本,實現性能[敏感詞]化;此外,基于 Chiplet 設計的SoC 還可對外采購具備特定功能的裸片,以節省自身的開發和驗證成本。

2

縮減芯片開發周期

與從0開始開發一款 SoC 相比,Chiplet 能大幅縮減芯片開發周期,幫助芯片公司盡快推出產品,贏得競爭優勢和市場份額。

3

提升設計靈活性

通過3D高密度互聯技術,對連接到底層邏輯芯片的模塊芯片在原則上沒有限制。廠商可以根據模塊的特點,選擇性價比[敏感詞]的工藝節點進行制造,提升芯片設計的靈活性。同時,通過3D高密度集成,Chiplet 能幫助增加芯片核心單元面積,提高單芯片算力。

4

拓寬下游市場

由于目前的芯片下游市場高度細分,很多細分市場的終端出貨量不足以支撐 SoC 高昂的 Mask 成本,芯片設計公司只會針對下游出貨量較大(如智能手機)或利潤較高的市場。而基于 Chiplet 的設計,可以讓芯片設計公司針對規模適中的市場(智能汽車/服務器等)以較低的成本開發出高性能的解決方案,擴寬了下游市場。


04Chiple行業生態

目前,全球芯片行業的各頭部公司都在探索chiplet的研發應用,其行業生態也在逐漸形成。




今年3月,全球芯片頭部制造企業Intel、AMD、ARM、Google Cloud、Meta、Microsoft、Qualcomm、Samsung、TSMC等聯合宣布成立Chiplet聯盟,并推出了一個全新的通用芯片互連標準(UCle),該組織發布了一種新的開放式芯片間互連規范,使芯粒能夠在封裝中相互通信。借助UCIe平臺,巨頭們將打造更加完整的Chiplet生態系統,并呼吁更多半導體企業的加入。




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以Chiplet為核心的技術方案,正成為行業頭部企業布局的關鍵。在巨頭們的推動下,相信我們在未來很快會看到Chiplet的新一波爆發。作為一種既能延續性能增長,又能相對控制成本的新技術,Chiplet在高性能計算、自動駕駛等領域已成為業界共識,并向更多的市場領域擴展。當然,這一切都離不開先進封裝的進步。



結語
在AMD、Intel等大廠不斷推動下,基于超異構架構的Chiplet技術,正因其設計靈活、良率高、成本低等特性聲名鵲起。而一系列產品的成功問世,也再次佐證,Chiplet或將成為未來SoC設計的主流趨勢之一。



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