AMD的新CPU凭借其小芯片设计和先进的制造工艺获得了巨大的成功，英特尔也发布了3D封装的CPU。然而，目前，小芯片只为少数公司提供了竞争优势。这项技术，是摩尔定律的延续，想要普及，面临着技术上的挑战，包括标准、良品率、功耗、散热、工具、测试等挑战，还有生态和制造方面的挑战。

没有人能准确判断小芯片何时普及，但可以肯定的是，这将是一个缓慢的过程。

Chiplets(也译为颗粒)是一项很有吸引力的技术，但是到目前为止，使用chiplets技术的产品并不多，参与者也不多。

在继续开发新技术节点的同时，由于物理限制或成本原因，晶体管的进一步小型化即将结束。许多行业需要比最新技术节点所能提供的更多的晶体管。同时，3nm芯片的开发成本因为不能在不影响良率的情况下增加裸片，只能由少数人承担。

对于芯片需求不是百万级的细分行业，高级节点的成本难以承受，而小芯片则提供了合理的解决方案。

这个包不是新的。Cadence IC封装和跨平台解决方案产品总监约翰·派克表示:“人们希望简化芯片设计，或者让它比PCB更小，或者消耗更少的功率。单个管芯被封装，然后放置在单个衬底上，通常是层压板，有时是陶瓷。这样就可以构建出体积更小、功耗更低的PCB，我们称之为多芯片模块(MCM)或系统级封装(SiP)。这项技术从20世纪80年代末开始被采用。”

有些术语是业内常用的，往往会混淆问题。" SiP可以简单地定义为将两个或多个ASIC组件集成到一个封装中."西门子高级封装解决方案总监托尼·马斯楚安尼(Tony Mastroianni)表示，“SiP有多种实现方式，包括MCM、2.5D封装和3D封装技术。MCM方法在封装衬底上集成和互连多个标准ASIC部件。2.5D封装方法将ASIC组件集成在硅或有机插入物上，包括通过插入物在两个或多个管芯之间进行管芯到管芯的连接。3D封装方法允许ASIC组件在Z轴维度上堆叠和互连。”

那么，这是对摩尔定律的偏离还是摩尔定律的延伸呢？英特尔可编程解决方案部门的首席技术官Jose Alvarez说:“即使在今天，我们仍然遵循戈登·摩尔的建议。1965年，戈登·摩尔写了一篇非常短的论文，总共四页，是关于现在的摩尔定律。他在第三页上写道:“事实证明，用更小的功能模块(分别是封装和互连)构建一个大系统更经济。”我们今天拥有的先进包装技术，所以，在某种意义上，这是戈登要求我们做的事情的延续。"

图1:从MCM/SiP向小芯片的迁移。来源:Cadence

小芯片之间的区别在于它们是专门设计来集成在同一个封装中的。DARPA通过芯片项目启动了这个计划，因为国防工业对芯片的总需求很小，承担不起5 nm设计的一次性工程费用。他们对小芯片的概念是物理IP模块，封装在一起。

芯片联盟执行董事罗布·曼斯(Rob Mains)表示:“DARPA选择了正确的方向，这对全世界的设计团队来说都是有意义的。每个人都需要知道好处，行业需要提供一定水平的技术，以确保小芯片产生有效的结果。”

Ansys的产品营销总监Marc Swinnen对此表示赞同。“这是一个合理的技术想法，一些组织正在努力实现这一目标。像ODSA这样的组织有多个小组委员会，致力于标准化小型芯片，并使商业市场能够参与进来。”

关键是标准。“这是一个不断进化的生态系统。”Synopsys高速SerDes高级产品经理Manmeet Walia表示:“这个生态系统非常分散。这个概念最早是DARPA因为成本问题提出来的，但这并不是市场发展的动力。其中一个关键因素是，由于物理原因，裸芯片足够大。为了进一步提高计算能力，需要更多的裸芯片。”

细分市场的驱动力都与计算有关。“关键的驱动力实际上是高性能计算，”新思产品营销总监Kenneth Larsen说。这就是基于小芯片的设计正在发展的地方。然而，现在的小芯片没有标准。"

当你看到芯片的时候，你可以看到这个方法已经成功了。“我看了英特尔新芯片的示意图，我发现有八个计算模块可以称为小芯片，中间有一些条纹包含缓存和互连模块。”Arteris IP的系统架构师迈克尔·弗兰克(Michael Frank)说，“它们都在硅衬底上。但这种范式必须基于标准，涵盖电气特性、通信、物理属性等。不可能为每家公司制造不同的小芯片。无论如何，它还是一个芯片，必须按照常规步骤进行流处理。”

如果能解决上述问题，该技术将被应用于许多其他领域。Synopsys的Larsen说，“一些设计的某些部分可能适用于较老的节点，而另一些则适用于较新的节点。”小型芯片的部分价值将来自能够用最好的技术设计IP。或者，可以通过保持接口不变来提高PPA，或者通过改变部分设计来降低整个产品的成本，而将另一部分迁移到更新的节点，从而提高计算密度。

随着联网设备的普及，5G芯片可能会成为推动者。“我相信这将为较小的公司(尤其是物联网设备)创造机会，”芯片联盟主任说。如果它是一家创业公司，它可以将创新技术与某种类型的5G芯片结合起来，并将其打包在一起。"

小芯片行业现状

小芯片行业现状如何？“在大多数情况下，拥有小芯片的公司并不关心行业标准，”新思科技的瓦利亚说。英伟达有他们的NVlink，AMD有他们的Infinity structure，高通有Qlink，英特尔有AIB。他们都提出了自己专有的接口标准。随着生态系统的不断发展，对标准的需求也在不断增加。"

当然，标准不是全部。“最大的问题在于小芯片的商业化，”Cadence的Park说。我们已经有了硬核和软核IP，小芯片是第三种选择。芯片设计师将可以购买这种硬核ip，并将其放在中间层，层压或堆叠它，或任何操作。"

“包装技术与此无关。小芯片的可行性更多与逻辑分区有关。缺失的部分是提供IP的公司。他们会不会转型成这种商业模式，把自己造出来的东西储存在仓库里？答案可能是否定的，谁来提供仓库存放所有这些小芯片，谁来制造，谁来分销？小芯片的商业模式的概念还没有建立起来，这是一个值得讨论的成本模式。”

可能小芯片太远了。“作为一家IP供应商，我们准备出售带有独立芯片接口的PHY IP。可以预见的是，未来我们将销售完整的小芯片。它可能是一个小的PCIe芯片，一边是PCIe·塞尔德斯，另一边是一个芯片对芯片(D2D) PHY，或者是一个控制器。”Cadence IP集团产品营销总监Wendy Wu表示。

“今天，我们将这些IP作为单独的产品使用，但我们一直在寻求将它们集成为统一设计的小芯片。我们现在还做不出这样的芯片，因为现在都是做标准化的产品。如果你想拥有制造小芯片的供应链，你需要这个市场足够大。”

小芯片的挑战可以分开来看。"小芯片设计标准化的挑战可以概括为功能、组件封装和签署."Arm的研究员兼技术总监罗布·艾特肯(Rob Aitken)说。根据Aitken的分类，情况如下:

功能小芯片和整个系统架构的关系非常重要。艾特肯说。“不同的小芯片可以被替换吗(就像它们在内存中一样)，或者它们执行类似的任务，但具有不同的软件接口、时钟频率、电源、散热等？”在任何情况下，清晰的规格、模型和验证对于小芯片和包括它们的3D封装组件的成功开发都是必不可少的。

HBM封装标准规定了引脚和功能的具体排列。标准化的逻辑小芯片将需要相同的东西，通过与连接点相关联的协议从物理层定义。硬IP模型面临的挑战(纵横比、引脚位置、测试等。)在小芯片上也差不多。即使小芯片允许跨区域连接，海滨(沿芯片边缘每毫米每秒位数)对接口性能仍然很重要，因为小芯片的布局很可能是确定的。虽然支持3D封装协议和引脚标准，但没有完整的逻辑芯片封装标准。

虽然已经进行了验证，并且将继续做大量工作来降低小芯片在流过程中的复杂性，但尚未达成普遍接受的解决方案，包括如何最好地划分功能和成品的成品率。以及不同供应商之间小芯片集成的功耗和散热。

解决其中一些问题的唯一方法就是设计小芯片，找出具体问题在哪里。英特尔的阿尔瓦雷斯(Alvarez)表示:“目前小型芯片在商业上是可行的，即使芯片来自不同的供应商。AIB接口的标准化对于开放这个新兴的生态系统非常重要。它还没有发展起来，但它正朝着正确的方向前进。”

图2:AIB小芯片的多样化生态系统。来源:英特尔

阿尔瓦雷斯补充说:“这种想法实际上是一种比今天制造芯片的方法更加敏捷和灵活的方式，这也是DARPA对它感兴趣的原因。现在有一些小芯片在开发中，有一些芯片在流，有一些在生产，有一些已经在用。但他们使用不同的技术，来自不同的代工厂，所以我们对这个生态系统真正拥有的是，它与技术和代工厂无关。”

小芯片什么时候能普及？

新生态系统的发展提出了先有鸡还是先有蛋的问题。首先，是设计师把不同的IP融入到设计中，还是系统公司来做？Park说:“这将是一个缓慢的发展过程。随着摩尔定律逼近物理极限，人们什么时候才能彻底抛弃单芯片SoC的概念，转向多芯片设计？”

也许中间的步骤是合乎逻辑的。“没人能确定，”Ansys的Swinnen说。“一个可靠的情况是，最初的微芯片系统将使用标准裸芯片来构建。严格来说，它们不会被认为是小芯片，而是像我们所说的小芯片一样构建，裸芯片通过紧密的连接层直接连接。如果有这样的系统，并且成为主流，那么可以看出它被重新设计成了一个小芯片。”

“这种设计减少了I/O驱动器，增加了互连带宽。它将是一个混合系统，所以其他芯片仍然是标准版本，但至少有一个小芯片在上面。”

要发展生态，市场必须足够大。吴说，“HBM内存的市场足够大，需求是统一的。”人们在谈论完整的封装光学器件。光学小芯片可能有应用。具有标准接口的XSR试图定义光接口。那是一个有很大市场的应用。一定会演变成开放市场的商业模式。"

结论

通过专有系统，证明了小芯片的可行性和价值。但接下来的问题更难，因为需要解决技术和商业问题。从现状来看，行业、政府和标准制定机构都将迎接挑战，因为这将是摩尔定律向未来延伸的方式。

其实整个行业都需要小芯片，哪怕今天只为少数人提供竞争优势。