異構(gòu)集成是后摩爾時(shí)代的答案嗎？

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2022-03-17 08:44:02 0

異構(gòu)集成正在成為后摩爾時(shí)代延續(xù)半導(dǎo)體技術(shù)的重要方向，或?qū)⒊蔀槲磥?lái)30年系統(tǒng)級(jí)芯片的主流技術(shù)，推動(dòng)集成電路進(jìn)入異構(gòu)集成時(shí)代。但異構(gòu)集成要打破集成電路傳統(tǒng)“路”的思維，還有很長(zhǎng)的路要走。

繞道摩爾定律的重要途徑

目前正處于數(shù)字經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展的時(shí)代，高性能計(jì)算、云計(jì)算和虛擬化、大數(shù)據(jù)分析等應(yīng)用快速發(fā)展。這一系列的應(yīng)用場(chǎng)景也會(huì)給處理器帶來(lái)非常大的工作負(fù)載，需要強(qiáng)大算力的支撐。

AMD全球*副總裁、大中華區(qū)總裁潘曉明表示，在半導(dǎo)體設(shè)計(jì)的黃金時(shí)代，人們可以通過(guò)工藝的進(jìn)步，降低每個(gè)晶體管的成本，同時(shí)得到性能的提升。然而現(xiàn)在每進(jìn)入一個(gè)新的節(jié)點(diǎn)，都需要更長(zhǎng)的時(shí)間才能保證工藝的成熟和穩(wěn)定，新工藝的成本又在顯著增加。這就為人們帶來(lái)新的挑戰(zhàn)，需要探討在其他方面做出更多的創(chuàng)新，才能進(jìn)一步提升處理器性能和算力。異構(gòu)集成正在成為提升芯片算力的重要發(fā)展方向。

那么，什么是異構(gòu)集成呢？英特爾研究院副總裁、英特爾中國(guó)研究院院長(zhǎng)宋繼強(qiáng)指出，異構(gòu)集成是將不同工藝架構(gòu)、不同指令集、不同功能的硬件組合成一個(gè)計(jì)算系統(tǒng)。同時(shí)，異構(gòu)集成也是芯片、封裝、系統(tǒng)、軟件的協(xié)同。它不是單一的技術(shù)點(diǎn)，而是多技術(shù)點(diǎn)的綜合，涉及器件、設(shè)計(jì)、軟件算法等的融合，以實(shí)現(xiàn)一個(gè)高效的異構(gòu)系統(tǒng)。

摩爾定律實(shí)際上已經(jīng)成為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的一面旗幟，但是人們必須擺脫對(duì)工藝節(jié)點(diǎn)微縮的癡迷才能推動(dòng)半導(dǎo)體技術(shù)持續(xù)演進(jìn)。

對(duì)此，中國(guó)科學(xué)院院士毛軍發(fā)指出，現(xiàn)在的半導(dǎo)體技術(shù)主要有兩條發(fā)展路線：延續(xù)摩爾定律和繞道摩爾定律。當(dāng)延續(xù)摩爾定律面臨一系列極限挑戰(zhàn)，包括物理原理極限、技術(shù)手段極限和經(jīng)濟(jì)成本極限的時(shí)候，繞道摩爾定律就是一種可行的發(fā)展方式。而異構(gòu)集成電路就是繞道摩爾定律的重要途徑之一。

毛軍發(fā)強(qiáng)調(diào)，研究半導(dǎo)體異構(gòu)集成的科學(xué)意義也很顯著，可以通過(guò)集成電路從目前單一同質(zhì)工藝向多種異質(zhì)工藝集成方向發(fā)展，從目前二維平面集成向三維立體集成方向發(fā)展，從而實(shí)現(xiàn)高性能的復(fù)雜系統(tǒng)。異構(gòu)集成的特點(diǎn)很突出。一是可以融合不同半導(dǎo)體材料、工藝、結(jié)構(gòu)和元器件；二是采用系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念；三是應(yīng)用先進(jìn)技術(shù)比如IP和小芯片（Chiplet），具有2.5維或3維高密度結(jié)構(gòu)。因而使得異構(gòu)集成芯片可以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大且復(fù)雜的功能，突破單一半導(dǎo)體工藝的性能極限；同時(shí)具有靈活性強(qiáng)、可靠性高、研發(fā)周期短，可實(shí)現(xiàn)小型化、輕質(zhì)化等特點(diǎn)。

國(guó)際大廠紛紛推出異構(gòu)集成技術(shù)

正因?yàn)榫哂羞@些優(yōu)點(diǎn)，異構(gòu)集成已經(jīng)成為后摩爾時(shí)代半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展的主要路線，越來(lái)越多主流廠商給予高度重視。在今年的Computex（臺(tái)北電腦展）上，AMD就發(fā)布了一款實(shí)驗(yàn)性的產(chǎn)品Ryzen 5000，其采用臺(tái)積電的3D Fabric先進(jìn)封裝技術(shù)，成功地將包含有64MB L3 Cache的chiplet以3D堆疊的形式與處理器封裝在一起。據(jù)AMD介紹，該技術(shù)可以提高超過(guò)2D芯片200倍的互聯(lián)密度，與現(xiàn)有的3D封裝解決方案相比，互聯(lián)密度也可達(dá)到15倍以上。

基于異構(gòu)集成技術(shù)的發(fā)展，英特爾則提出XPU的概念。宋繼強(qiáng)表示：“對(duì)于英特爾而言，我們推動(dòng)異構(gòu)計(jì)算的創(chuàng)新，就是通過(guò)對(duì)不同架構(gòu)XPU的異構(gòu)整合，和統(tǒng)一的跨架構(gòu)編程模型oneAPI實(shí)現(xiàn)軟硬協(xié)同，滿足更多工作負(fù)載，實(shí)現(xiàn)高能效比，幫助客戶降低成本，并能根據(jù)需求快速給出解決方案。”

在去年“架構(gòu)日”上，英特爾在EMIB（嵌入式多芯片互連橋接）2D封裝、Foveros 3D封裝，以及結(jié)合2D和3D的CO-EMIB技術(shù)基礎(chǔ)上，又推出了Hybrid Bonding（混合結(jié)合）技術(shù)。通過(guò)電氣連接獲得更高的載流能力，加速實(shí)現(xiàn)10微米及以下的凸點(diǎn)間距，為異構(gòu)介質(zhì)帶來(lái)更高的互連密度、帶寬和更低的功耗。

不僅僅是英特爾與AMD，國(guó)際芯片龍頭廠商包括英偉達(dá)、高通、賽靈思等都對(duì)異構(gòu)集成技術(shù)非常重視。國(guó)內(nèi)方面，紫光展銳、北京君正、中星微電子等企業(yè)也在積極展開(kāi)對(duì)異構(gòu)集成的研究與開(kāi)發(fā)，并推出相關(guān)產(chǎn)品與解決方案。紫光展銳新推出的唐古拉T770就集成了4核ARM A76、4核ARM A55、Mali-G57GPU以及基帶芯片等，是異構(gòu)集成的典型應(yīng)用。

需要打破傳統(tǒng)“路”的思維

盡管異構(gòu)集成的發(fā)展前景十分廣闊，但是想要真正實(shí)現(xiàn)起來(lái)也并非易事。毛軍發(fā)強(qiáng)調(diào)，由于不同性能、功能的介質(zhì)緊密耦合，往往相互矛盾，因此在異質(zhì)電路設(shè)計(jì)時(shí)，要解決電磁-熱-應(yīng)力，多物理協(xié)同設(shè)計(jì)，以及有源/無(wú)源電路天線、數(shù)字/模擬電路的多功能協(xié)同設(shè)計(jì)問(wèn)題。在工藝制造方面，異構(gòu)集成工藝參數(shù)調(diào)整也會(huì)受制于電、熱、應(yīng)力多物理場(chǎng)特性的影響，必須認(rèn)識(shí)其內(nèi)在關(guān)系，掌握工藝量化設(shè)計(jì)與優(yōu)化機(jī)理。

宋繼強(qiáng)也認(rèn)為，異構(gòu)集成在硬件方面需要打破單一架構(gòu)，多架構(gòu)融合的XPU架構(gòu)將會(huì)成為主流。XPU架構(gòu)的誕生，對(duì)軟件提出了更高的要求，因?yàn)槟軌蛲瑫r(shí)掌握多種架構(gòu)編程語(yǔ)言的開(kāi)發(fā)人員鳳毛麟角，而軟件是釋放硬件性能的關(guān)鍵一環(huán)，能夠跨架構(gòu)編程的軟件模型以及可以提升編程效率的工具就顯得極為重要。

英特爾曾提出六大技術(shù)支柱，對(duì)XPU的實(shí)現(xiàn)起到了關(guān)鍵作用，包括制程、架構(gòu)、內(nèi)存、互連、安全和軟件。異構(gòu)計(jì)算雖然看似一個(gè)硬件層級(jí)的內(nèi)容，但要釋放其能力，需要芯片、系統(tǒng)、軟件三層一體化考慮，才能夠發(fā)揮作用。一是芯片層，指在芯片封裝內(nèi)的異構(gòu)，和“小芯片”概念緊密相聯(lián)；二是系統(tǒng)層，指多功能多架構(gòu)的計(jì)算架構(gòu)進(jìn)行整合；三是軟件層，統(tǒng)一的跨架構(gòu)編程模型oneAPI，可以通過(guò)一套軟件接口、一套功能庫(kù)為開(kāi)發(fā)者提供在不同架構(gòu)上編程的便利性。

面對(duì)異構(gòu)集成的發(fā)展，毛軍發(fā)提出了總體研究思路，即打破集成電路傳統(tǒng)“路”的思維，以耦合多物理場(chǎng)理論為基礎(chǔ)，以形成異構(gòu)集成能力為牽引，場(chǎng)、路結(jié)合，統(tǒng)領(lǐng)半導(dǎo)體異構(gòu)集成電路的技術(shù)方向。

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