半個多世紀(jì)以來,半導(dǎo)體技術(shù)一直默默支撐著科技變革的潮流??梢哉f,半導(dǎo)體性能、能耗和成本的不斷優(yōu)化,使一個個智能產(chǎn)品得以成為現(xiàn)實,同時,全球半導(dǎo)體也形成了當(dāng)前較為穩(wěn)固的分工模式和產(chǎn)業(yè)格局。
不過,行路至此,全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)正處于大變局中:一方面,摩爾定律在不斷逼近極限;另一方面,地緣政治裹挾下的全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè),原有的分工合作面臨著不確定性。此外,疊加疫情、全球通脹等所有動蕩因素,一個巨大的問號浮現(xiàn)——全球半導(dǎo)體長期穩(wěn)定的合作,何以為繼?
行業(yè)在尋求共同的樂觀?
近日,美國政府最終通過了《2022年芯片和科學(xué)法案》,同時提議與韓國、日本和中國臺灣地區(qū)組建“芯片四方聯(lián)盟”(Chip4),“以競爭之名,行遏制之實”的意圖基本坐實。
不過,也未必所有的事情都那么悲觀。
就在本月初,UCIe(通用芯粒高速互連)聯(lián)盟官宣:新增阿里巴巴和英偉達兩家董事會成員。截至目前,UCIe聯(lián)盟已經(jīng)吸納了12家行業(yè)巨頭,值得一提的是,阿里巴巴是首個來自中國大陸的董事會成員。
關(guān)于UCIe的背景這里多說幾句:
幾十年來,半導(dǎo)體行業(yè)一直按照摩爾定律的規(guī)律發(fā)展著,芯片制造商憑借工藝技術(shù)的迭代,每18個月使芯片性能提升一倍。但隨著近年來先進工藝逐步演進到3nm、2nm,用提升晶體管密度來提高性能的做法遇到了瓶頸,摩爾定律開始放緩甚至停滯。業(yè)界開始思考將不同工藝的模塊化芯片,像拼接樂高積木一樣用封裝技術(shù)整合在一起,在提升性能的同時實現(xiàn)低成本和高良率,這就是Chiplet的思路。
為了定義封裝內(nèi)芯粒(Chiplet)之間的互連,實現(xiàn)封裝層級的開放芯粒生態(tài)系統(tǒng)和普遍的互連標(biāo)準(zhǔn),最初,英特爾基于開放的高級接口總線(AIB)工作基礎(chǔ),開發(fā)了UCIe標(biāo)準(zhǔn),并將其作為一個開放規(guī)范,捐贈給聯(lián)盟的創(chuàng)始成員。
UCIe聯(lián)盟正式成立于2022年3月,旨在構(gòu)建芯粒(chiplet)技術(shù)在芯片上的互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn),初始董事會成員共有10位,包括英特爾、AMD、高通、臺積電、三星、Arm、微軟等。這些成員覆蓋芯片代工廠、IP供應(yīng)商、芯片設(shè)計、云廠商等等,基本都是科技行業(yè)各自領(lǐng)域的頂級玩家,初始就具備了一個小型生態(tài)的閉環(huán)。
和常規(guī)的公司架構(gòu)一樣,董事會是UCIe聯(lián)盟的最高管理層,可以決定聯(lián)盟的決策及領(lǐng)導(dǎo)作用。那么,阿里巴巴加入該聯(lián)盟董事會,意味著什么?當(dāng)全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)陷入地緣政治所帶來的紛亂時,我們當(dāng)然希望UCIe能推動開放合作,那么,它究竟能否成為全球半導(dǎo)體關(guān)系的“粘合劑”?進而再說一步,它能否成為改變半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)未來合作走向的關(guān)鍵一步?
Chiplet生態(tài),開放是關(guān)鍵
未來的芯片很可能就是“你中有我,我中有你”的狀態(tài),不同工藝的、不同供應(yīng)商的芯粒被連接在一起,再封裝成一顆大的芯片,從而實現(xiàn)性能、成本的最佳化。在這一方案中,芯粒之間的高速通信非常重要,這也就有了上文提到的UCIe聯(lián)盟的成立背景。英特爾稱,與封裝外的SerDes相比,該規(guī)范以1/20的功耗提供了20倍的I/O性能。
對于Chiplet生態(tài),充分的開放性非常重要。
要實現(xiàn)更大范圍的應(yīng)用,需要混合來自多家芯片廠商或多個工藝節(jié)點的裸片,可能會涉及到多家各種功能芯片的設(shè)計、互連、接口,如何界定這些裸片的互聯(lián)協(xié)議和接口標(biāo)準(zhǔn)?
在UCIe聯(lián)盟建立之前,行業(yè)并沒有一個統(tǒng)一的規(guī)范,眾多的芯片廠商此前都在發(fā)展自己的互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn),如Marvell在推出模塊化芯片架構(gòu)時采用的Kandou總線接口;英偉達用于GPU高速互聯(lián)的NVlink;英特爾的AIB高級接口總線協(xié)議;臺積電和Arm合作推出的LIPINCON協(xié)議;AMD也有Infinity Fabrie總線互聯(lián)技術(shù),以及用于存儲芯片堆疊互聯(lián)的HBM接口等等……但是,沒有統(tǒng)一的規(guī)范,Chiplet生態(tài)很難壯大。
業(yè)界對Chiplet最早產(chǎn)生需求、或者說獲益最大的領(lǐng)域,始于HPC/數(shù)據(jù)中心,雖然現(xiàn)在還不到討論Chiplet“大規(guī)模普及”的時候,但是從半導(dǎo)體一直以來的規(guī)模效應(yīng)來看,未來“應(yīng)用數(shù)量”一定是Chiplet走向普及的必經(jīng)之路。而“數(shù)量”往往來自于更多的產(chǎn)品應(yīng)用,特別是主流消費產(chǎn)品,如果Chiplet方案從成本、功耗以及外形尺寸都能滿足需求的話,業(yè)界自然會轉(zhuǎn)向這一方案。
這也意味著,方案的多樣性、可選擇性就會成為必然趨勢,所涉及到內(nèi)部芯粒的類型和數(shù)量可能會更多,一種通用的、可預(yù)測的互連方式就更加會成為必然。從以上這些層面來看,UCIe聯(lián)盟的“納新”也就容易理解了。
新增成員為什么是英偉達和阿里巴巴?
英偉達和阿里巴巴的加入,使得UCIe增加了一個在GPU和AI領(lǐng)域的大型軟硬件方案供應(yīng)商,以及一個從底層軟硬件到云服務(wù)、生態(tài)系統(tǒng)完善的大型云廠商。
英偉達在今年春季GTC上推出了Grace CPU 超級芯片,就是采用了兩個 CPU 組成、通過NVLink-C2C互連的設(shè)計方案。
當(dāng)時,筆者曾就英偉達對互連技術(shù)的路線、規(guī)劃,以及對UCIe的態(tài)度詢問了黃仁勛的看法。黃仁勛表示,他第一喜歡PCIe,英偉達非常依賴于PCIe,可以說沒有PCIe就沒有英偉達,未來還是會盡可能多地使用PCIe;第二喜歡UCIe,就像PCIe一樣,它更節(jié)能、速度更快,之后會逐漸體現(xiàn)出優(yōu)勢,他預(yù)測,五年內(nèi)這些好處會逐漸顯現(xiàn)。他同時也肯定了英偉達自己的NVlink互連技術(shù),稱其優(yōu)勢在于直連能力。而UCIe不能直接接入芯片,它仍然是一個外設(shè)接口。
這一解答已經(jīng)表明了英偉達放眼整個生態(tài)的異構(gòu)集成布局。
還有,為什么是阿里巴巴?這其實涉及到中國云廠商在Chiplet領(lǐng)域的能力和未來的進一步發(fā)展。
首批加入UCIe聯(lián)盟的云廠商,包括Google云、Meta、微軟,與上游的IP、芯片設(shè)計或晶圓制造廠商不同,他們擁有龐大的用戶群,可以將聯(lián)盟中獲得的進展提供給用戶,同時能夠得到用戶的反饋,從而得到反復(fù)的驗證和優(yōu)化。
阿里巴巴的加入其實并不意外,放眼全球市場,阿里云都占有一席之地;其次,阿里重視自研芯片,較早就開始了數(shù)據(jù)中心芯片的定制工作,也是積極的Chiplet技術(shù)使用者;再次,阿里云從2017年開始投入建設(shè)的震旦異構(gòu)計算開放平臺(HALO/ODLA),因其可裁剪可擴展的輕量級接口、極簡的內(nèi)存足跡和內(nèi)稟的異構(gòu)并行支持,被認(rèn)為適宜作為Chiplet加速系統(tǒng)的軟硬協(xié)同計算平臺;最后,阿里巴巴龐大的商業(yè)生態(tài)系統(tǒng)有很大影響力,包括芯片、云服務(wù)等領(lǐng)域的相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈生態(tài)。
UCIe是否利好國產(chǎn)半導(dǎo)體?
美國簽署芯片法案前后,國內(nèi)A股Chiplet概念股連續(xù)大漲。
Chiplet有助于提高制造良率、降低設(shè)計難度和制造成本,在國際大背景和我國現(xiàn)有工藝水平的基礎(chǔ)上,被認(rèn)為是一種可行的技術(shù)途徑:
首先,芯片的良品率方面,隨著芯片面積增大,良品率會下降,而通過Chiplet設(shè)計將大芯片分成更小的芯片可以有效改善良率,同時也能夠降低因為不良率而導(dǎo)致的成本增加;其次,在芯片設(shè)計階段,如果將大規(guī)模SoC按照不同功能模塊分解為一個個芯粒,那么部分芯??梢宰龅筋愃颇K化的設(shè)計,而且可以在不同的芯片產(chǎn)品中復(fù)用,不僅可以降低芯片的設(shè)計難度和設(shè)計成本,同時也有利于后續(xù)產(chǎn)品的迭代,加速產(chǎn)品的上市周期。
華為原輪值董事長郭平就曾在2021年年報發(fā)布會上提及,在先進工藝不可獲得、單點技術(shù)遇到困難的情況下,華為在積極尋找系統(tǒng)的突破。華為常務(wù)董事汪濤后來也進一步明確,華為已經(jīng)在2019年申請了基于芯片3D堆疊、3D封裝或稱之為chiplet技術(shù)方面的專利,來實現(xiàn)在制程相對可能不是那么領(lǐng)先的情況下做出領(lǐng)先的芯片或者系統(tǒng)。
阿里巴巴以董事會成員的身份加入UCIe,無疑提振了國產(chǎn)半導(dǎo)體的士氣。但事實上,在此之前,我國大陸地區(qū)已經(jīng)有一批廠商加入了UCIe聯(lián)盟,比如:半導(dǎo)體IP供應(yīng)商芯原、先進工藝定制芯片設(shè)計和一站式解決方案提供商芯云凌、Chiplet產(chǎn)品及服務(wù)提供商奇異摩爾、先進工藝IP企業(yè)芯耀輝、高性能通用CPU初創(chuàng)企業(yè)超摩科技等等,這些企業(yè)無一不是看好Chiplet生態(tài)、以及推進與國際大廠兼容且匹配國產(chǎn)定制需求的Chiplet方案的發(fā)展前景。
國產(chǎn)半導(dǎo)體該為UCIe歡呼嗎?
對于UCIe的出現(xiàn)和中國大陸廠商的加入,或許可以從以下幾方面來看待:
首先,UCIe確實代表了Chiplet更進一步的發(fā)展需求和成果,是產(chǎn)業(yè)邁向成熟的標(biāo)志;其次,標(biāo)準(zhǔn)體系涉及到產(chǎn)業(yè)各環(huán)節(jié)間的協(xié)調(diào),需要設(shè)計、制造和封測企業(yè)高度配合,我國大陸地區(qū)廠商在這方面的基礎(chǔ)還較為薄弱,仍需要繼續(xù)提升;第三,如何在巨頭林立的聯(lián)盟成員中,提升參與感,有可能是一些中小企業(yè)會面臨的挑戰(zhàn);第四,我們當(dāng)然希望這是行業(yè)玩家之間單純的開放合作,以及共同迎接挑戰(zhàn)的決心,但是,仍要做好抗沖擊的準(zhǔn)備。
未來,不論是技術(shù)路線本身,還是產(chǎn)業(yè)外部大環(huán)境所致,還有太多的變量需要消耗。這些挑戰(zhàn)要么是前所未有的,要么是從未如此嚴(yán)峻地顯現(xiàn)出來。
在國內(nèi)Chiplet相關(guān)企業(yè)紛紛涌入賽道的同時,互連接口、架構(gòu)設(shè)計和制造及先進封裝等方面都有新興技術(shù)出現(xiàn)。Chiplet技術(shù)不但將改變傳統(tǒng)SoC的設(shè)計方式,其產(chǎn)業(yè)鏈的成型將更需要EDA、IC設(shè)計、制造工藝、先進封測等產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)更為緊密地凝聚,也可能帶來一場從底層開始的、顛覆式的創(chuàng)新革命。
作為延續(xù)摩爾定律的關(guān)鍵,Chiplet的發(fā)展為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)帶來了新的發(fā)展契機,但轉(zhuǎn)向2.5D、3D也提高了芯片設(shè)計和制造的復(fù)雜度,需要更為完善、開放的產(chǎn)業(yè)生態(tài)為支撐。這一次,中國半導(dǎo)體需要更全面、根基更牢固的準(zhǔn)備。