作者:张双虎 来源:中国科学报 发布时间:2023/12/11 10:31:17
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2024年: 芯粒“上车” 算力“破墙”

 

 “Chiplet(芯粒)‘上车’是大势所趋。”清华大学交叉信息核心技术研究院教授、北极雄芯创始人马恺声告诉《中国科学报》,“从北极雄芯的角度判断,2024年将是芯粒车载芯片元年。”

不久前,北极雄芯完成新一轮超亿元融资,用于下一代通用芯粒及功能型芯粒的开发,以及高速互联芯粒接口等基础技术的研发。此前,北极雄芯曾获图灵创投、红杉中国种子基金、SEE FUND、青岛润扬、韦豪创芯、讯飞创投、中芯熙诚等多家投资机构青睐。

除北极雄芯外,今年在芯粒赛道上异军突起的还有其他黑马。

今年8月,芯砺智能宣布半年内获得近3亿元天使轮及产业轮融资,用于研发车载大算力芯粒;今年6月,成立仅两个月的原粒半导体很快收获了数千万元种子轮融资……

资本青睐、股市活跃,2023年的芯粒领域可谓“静水流深”,而更多的企业在等待2024年“上车”的机遇。

基于Chiplet异构集成的智能处理芯片。受访者供图

两条路径,一种选择

“芯粒通常指预先制造好、具有特定功能、可组合集成的晶片,也称为‘小芯片’。”中国科学院计算技术研究所(以下简称计算所)研究员韩银和对《中国科学报》说。

简单说,芯粒技术可以将片上系统(Soc)的功能拆分成多颗小芯片,然后运用先进封装技术,重组成一个庞大复杂的系统,以此降低芯片总成本。通过基板集成制造技术,芯粒可满足通用处理器、存储器、图形处理器、加密引擎、网络接口等各种功能集成的应用需求。

“相比于普通芯片,芯粒技术有3个核心优势。”韩银和补充说,“一是支撑算力持续突破;二是进行不同工艺芯粒的集成;三是减少芯片设计、制造的时间和费用。”

随着人们对计算和存储能力需求的持续增长,算力提升面临诸多壁垒,如何“破墙”是国内外亟待解决的问题。

在韩银和看来,提高算力除采用先进设备和工艺进行尺寸微缩外,还可以通过扩大芯片面积来增加晶体管数量,从而提升芯片性能。芯粒技术通过多芯集成,可达到提升芯片性能的目标。

复杂芯片内通常包含多种不同模块。传统芯片为实现高性能,需要全部采用先进工艺制造。而以手机芯片为例,除计算模块外,还有存储、接口等多种模块。通过细分这些模块,可用14纳米工艺制造接口模块,一些模拟电路甚至只需28纳米工艺就能满足要求,而计算部分则可用7纳米工艺来实现。

“集成芯片技术还能实现基于不同架构芯粒的集成,从而减少前端设计和流片制造成本。”韩银和说,“大算力芯片设计时间和成本剧增,例如英伟达设计的Xavier SoC每年要投入2000人。而集成芯片则可以通过‘异构组合’实现芯粒复用,从而更加灵活地定制芯片功能及扩展算力。在当前先进工艺受阻的背景下,集成芯片提供了一条利用自主工艺研制高性能芯片的可行路线。”

芯粒技术有诸多优势,因此受到全球关注。但对于中美两国来说,出发点并不一致。

“对于芯粒,美国是将其作为摩尔定律尽头一条‘没有其他选择的’路径。而在中国,它是现有条件下解决算力问题的一种选择。”马恺声说,“两者的出发点不同,因此决定了技术路径也有差异。”

“上车”是大势所趋

2010年,台积电的芯片专家蒋尚义提出“先进封装”概念,即通过半导体互连技术连接两颗芯片,突破了单芯片制造的面积上限,这被认为是芯粒技术的雏形。

2013年,台积电与美国赛灵思(Xilinx)公司推出一款大容量芯片V7200T。它将4个芯粒连接在一块硅基板上,形成一个超2000个可编程逻辑门的系统。此后,“模块化”的设计思想与方法得到进一步发展。

2018年,计算所、清华大学、华为、中芯国际等开始关注这一技术。一开始,大家将Chiplet译为“小芯片”,在韩银和等人倡导下,又将其译为“芯粒”,并得到学界和业界的认可。

同年,马恺声等人用半年多时间调研各种计算范式,发现想快速量产芯粒,利用现有硅基技术的产能和产线,以“搭便车”的方式结合或改造是不错的选择。

马恺声认为,芯粒技术受到资本追捧,是因为资本敏锐意识到,芯粒并非“国产替代”,而是“一个有创新性的东西”。但目前大家对芯粒“感兴趣的多,观望者多,真正下场做的企业却非常少”。

“主要是产业方面还不成熟,东西太新、风险较大。”马恺声解释说,该领域牵扯到架构的拆分、拼接及数据通路的完备考虑,需要软件上做适配,还要时刻关注芯粒带来额外面积的代价。

“芯粒的真正魅力在于‘异构’,在于能和其他芯粒连接,但现在市场上没有几个芯粒。”马恺声说,“即使把以上的步骤都‘跑通了’,也只能跟自己的一两个晶片拼接起来,收益有限。”

因此,北极雄芯一直坚持走异构芯粒路线,跟国产的供应链耦合,给国内封装企业下订单,促进上下游同时进步。

“Chiplet‘上车’一定是大势所趋。预计到2030年有34%至50%的汽车中央域控芯片采用芯粒技术。”马恺声说,“我们想先把这条路走通,给大家‘打个样儿’。”

在北极雄芯的投资方丰年资本合伙人潘腾看来,芯粒技术定能在多个应用领域发挥破局作用。北极雄芯凭借深厚的技术背景以及扎实的产品逻辑,会助力我国汽车智能化和人工智能计算持续发展。

两种角度思考布局

近年来,我国在高集成度芯粒领域研发方面取得了巨大进展。

2022年,计算所智能计算机中心和之江实验室联合开发了“之江大芯片一号”。该芯片集成了16个芯粒,每个芯粒包含16个CPU核,芯粒集成度实现突破。同年,复旦大学集成芯片与系统全国重点实验室用可扩展架构,研制出多芯粒集成的存算一体2.5D芯片,实现了系统算力与存储规模按芯粒比例线性增长。

今年,国家自然科学基金委员会启动“集成芯片前沿技术科学基础重大研究计划”,推动国内在集成芯片和芯粒方面的基础研究。

“这是一个重要的节点,也是我国在集成电路设计领域率先开展基础性、前瞻性研究的一个重要研究计划。”韩银和说。

目前,国内研发机构与头部企业在芯粒领域已经开始互连标准制定工作。计算所、华为等都在牵头开展相关工作。

在刚刚结束的中国集成电路设计业2023年会(ICCAD)上,中国半导体行业协会集成电路设计分会理事长魏少军说,任何一个产品能否持续发展,技术因素确实重要,但经济性才是决定性因素。芯粒可在很大程度上降低使用最先进工艺的要求,在成本上大大降低先进工艺带来的高额费用,确实有吸引力。“芯粒有可能派生出按照应用需求,通过混合堆叠和集成打造芯片级系统的新商业模式,甚至新业态。”

对此,韩银和有类似的看法:“集成芯片是一条可以用自主工艺研制高性能芯片的技术途径。我们可以从技术趋势和产业竞争两个角度看待。”

韩银和认为,首先,站在产业角度,要把芯粒作为一个生态体系来规划和发展。在集成芯片这一新兴赛道上,需要以应用为牵引,体系化地以芯粒生态和目标开展标准规范的制定,鼓励芯片厂商对外提供第三方芯粒产品形态。

其次,芯粒集成生态的发展应与EDA、RISC-V开源体系、大容量存储器、光口互连等战略产品布局结合,增大芯粒集成芯片生态的宽度和高度,形成核心竞争力。

最后,在技术上要发展当前急需的先进集成封装技术,改变当前只有少量芯粒可以集成的产业现状。以高性能计算和智能物联网市场为牵引,围绕大尺寸集成和异构异质设计开展新技术、新工艺和新材料体系攻关,形成自主、安全可控的芯片设计新范式。

 
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