英特尔谈“小芯片”革命与未来应用方向

    Ramune Nagisetty正着手帮助英特尔在以芯片为中心的新兴行业生态系统当中开拓自己的席位。
    所谓“小芯片（chiplets）”，是指一种系统制造方法，其在整体功能性方面与整体大型芯片并无区别，但实际上却是由多个较小的芯片共同组成。尽管传统的摩尔定律提升空间已经基本耗尽，但凭借着小芯片这一天才般的创意，计算行业目前仍然能够在一定程度上维持系统的性能改进能力。
    支持者们表示，小芯片的普及代表着系统的专用化门槛将有所降低，而产品产量也能够随之提高。而更重要的是，小芯片亦有可能给无代工半导体行业带来重大转变，其最终目标产品可能体现为一种小型专用芯片，负责将通用型处理器与其它众多专用芯片组合在一起。Ramune Nagisetty是英特尔公司俄勒冈州技术开发部门的首席工程师兼流程与产品集成总监，她一直致力于建立一个范围可达完整行业级别的芯片生态系统。在2019年3月21日接受IEEE Spectrum采访时，她与我们共同就这一愿景以及英特尔公司的技术状况进行了探讨。
    Ramune Nagisetty在此次采访中谈到：
    小芯片是什么
    英特尔的EMIB解决方案
    集成工程难题
    新的测试技术与标准需求
    小芯片领域的无代工初创企业
    IEEE Spectrum（以下简称记者）：您能否对小芯片做出定义，并聊聊小芯片为什么如此重要？
    Ramune Nagisetty：小芯片属于一块物理硅片。其中封装有一套IP（知识产权）子系统。它的设计目标，在于通过封装级集成方式与其它小芯片相结合，而且一般通过高级封装集成与标准化接口供用户实际使用。
    小芯片为什么变得越来越重要？这是因为时至今日，已经不存在那种百试百灵的通用型解决方案。我们在不同类型的计算与工作负载层面实现了爆炸式的增长，因此出现了众多不同的架构以支持这些不同类型的计算模型。从本质上讲，一流技术的异构集成正是摩尔定律未来的全新起效形式。
    记者： 说起异构技术，您所指的是是否还包括除硅材料之外的其它半导体材料？
    Nagisetty：我想说的是，未来的半导体材料不一定只有硅，也应该包含其它类型的半导体制造技术。例如，大家可以使用锗技术，简称III－V。在未来，我们将拥有更多半导体技术类型可供选择。但着眼于当下，半导体材料主要指的仍然是硅。
    更重要的是，即使只着眼于硅基芯片，这些芯片也肯定会发展出不同的技术节点。它们通常会针对不同领域进行性能调整——具体包括数字、模拟、RF以及内存技术等等。
    其中一大核心驱动力，当然是内存的整合。高带宽存储器（简称HBM）在本质上正是异构芯片封装内集成方法的重要、亦是首批证明案例之一。内存在本质上就属于一种异构集成，其凭借着先进的封装机制为我们带来出色的使用体验。
    记者：英特尔连接芯片组的方法被命名为嵌入式多芯片互连桥。您能否向我们解释一下，这个概念的定义是什么，又是如何起效的？
    Nagisetty：大家可以将其视为一个用于将两块小芯片连接在一起的高密度桥接器，这实际上也是我能想到的最准确的描述方式。我想，很多朋友应该都熟悉利用硅中介层作为先进封装基板的作法。（注：硅中介层是一种硅衬底，其拥有密集的互连与内置硅通孔，用于实现不同芯片之间的高带宽连接。）
    图片：IntelAn EMIB上的芯片（电路）连接以高密度互连方式进行整体封装。将芯片连接至EMIB的连接凸块要比图左下方的普通凸块拥有更小的彼此间隙。
    在本质上讲，EMIB实际上就是一个体积极小的硅中介层，其中包含密度极高的互连体系，我们将其称之微凸块，且密度远高于标准封装基板的密度。（微凸块是一种微小的焊球，是能够将芯片接入另一块芯片或者封装的高密度互连机制。）
    EMIB或者桥接，一般会被嵌入至标准封装基板当中。利用EMIB，大家即可在必要的位置轻松获得最高的互连密度，并在其余位置利用标准封装基板满足其它普通互连需求。
    这种作法能够带来诸多优势。其中最显著的一点自然是成本，因为硅中介层的成本与该中介层的面积成正比。因此在使用EMIB的情况下，我们只需要在需要高密度互连的位置添加桥接即可满足需求，而不存在额外浪费。此外，这种作法也能够降低由材料自身特征所带来的信号衰减——标准封装基板能够更好地传递信号，硅中介层则会严重影响信号传输。
    记者： 目前英特尔公司使用的EMIB是如何实现的？
    Nagisetty：英特尔公司实际上掌握着数种演示性芯片解决方案，这里正好借机会对其一一加以说明，我想这也有助于我们接下来进一步探讨未来芯片所要遵循的三条不同发展路线。
    英特尔公司目前拥有两套基于EMIB的解决方案，而且二者之间存在着相当显著的差别。首先是Kaby Lake－G，我们基本上将AMD Radeon GPU与高带宽内存（HBM）与我们的CPU芯片集成在一起。我们利用EMIB实现GPU与HBM的桥接，并在封装内提供HBM接口。在此之后，我们利用封装内部的PCI Express——这是一种标准的电路板级接口，专门用于集成GPU与CPU。
    该解决方案的真正有趣之处，在于我们正在尝试利用来自多家代工厂的外部开发芯片。我们希望使用HBM与PCI Express这些通用性质的行业标准接口打造一流产品。在这种情况下，我们采用一个能够独立在电路板上运行的组件（带有HBM的GPU），并将其集成在统一的封装之内。其中PCI Express负责发送长距离信号，也就是处理典型的电路板运行需求。虽然立足封装内部来考虑，PCI Express并不一定是最佳解决方案，但却是一种快速便捷的解决方案，因为我们能够借此利用业已在行业中广泛存在的接口。
    记者： 这种集成方法能够为英特尔的芯片产品带来哪些助益？
    Nagisetty：在这种情况下，我们得以实现外形尺寸方面的巨大改进。在移动使用场景下，外形尺寸对于笔记本电脑的设计至关重要。从本质讲，设计师必须得在外形、功耗与性能这几项指标之间做出取舍。因此，只要我们能够尽可能缩小外形尺寸，就可以实现真正的优化，即以尽可能小的尺寸提供同类最佳的解决方案。
    记者： 那么，关于另一种小芯片设计方案，您又做何评价呢？
    Nagisetty：接下来我要谈的是Stratix 10 FPGA，这实际上也是英特尔公司首款正式展示的EMIB解决方案。Stratix 10的核心是英特尔FPGA，其中在FPGA周边部署有六个小芯片。其中四个为高速收发器小芯片，另外两个则是高带宽内存小芯片，它们全部部署在同一封装之内。此示例集成有来自三家不同代工厂的六种不同技术节点；也正因为如此，它才进一步证明了不同代工厂的产品之间完全能够实现互操作性。
    英特尔Stratix 10是芯片巨头利用EMIB连接封装内各小芯片的主要示例方案。
    另外值得一提的是，它采用了一种被称为AIB的行业标准型晶片到晶片接口，全称则为英特尔高级接口总线（Intel＇s Advanced Interface Bus）。这种接口专门为Stratix 10产品而打造，实际上代表着我们为封装内高带宽、逻辑到逻辑互连方案制定的行业标准雏形。因此，HBM可以说是内存集成领域的首个标准，而AIB则是逻辑集成层面的首个标准。
    AIB这种接口能够配合英特尔EMIB解决方案与硅插入器等其它竞争性解决方案共同使用。需要强调的是，该接口的核心优势在于其生态系统内以FPGA为中心进行混合搭配的实现方法。目前，众多不同的企业与高校正在DARPA CHIPS（全称为通用型异构整合与IP复用策略）计划的赞助下努力利用AIB创建更多小芯片设计方案。
    
    
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