异构集成成主流 芯片进入大整合时代
来源:中国半导体行业协会发布时间:2021-07-07
询问 AI随着芯片工艺逐步逼近物理极限，摩尔定律前进的步伐正在放缓，进一步发展需要新的思路。而异构集成技术在降低芯片功耗、提升综合性能、满足用户多种需求等方面具有极大优势，已引起越来越多主流厂商的高度重视。异构集成正在成为后摩尔时代，延续半导体技术的主流发展方向。不过，异构集成往往需要打破单一架构，实现多性能、多功能小芯片间的协同，以及不同性能、功能介质间的紧密耦合，这对设计者与制造者来说，都将带来一系列新的挑战。如何不断解决架构、制造与封装、软件等不同层面出现的难题，将是未来企业能否抢占市场先机的重点。
延续摩尔定律异构集成受重视
摩尔定律实际上已经成为半导体产业的一面旗帜，但是人们必须摆脱离对工艺节点微缩的痴迷才能推动半导体技术的持续演进。对此，中国科学院院士毛军发就指出，现在的半导体技术主要有两条发展路线：延续摩尔定律和绕道摩尔定律。当延续摩尔定律面临一系列极限挑战，包括物理原理极限、技术手段极限和经济成本极限等的时候，绕道摩尔定律就是一种可行的发展方式。而异质集成电路就是绕道摩尔定律的重要途径之一。
AMD全球高级副总裁、大中华区总裁潘晓明也表示，目前人们正处于数字经济蓬勃发展的时代，高性能计算、云计算和虚拟化、大数据分析等应用快速发展。但这一系列的应用场景也会给处理器带来非常大的工作负载，需要强大算力的支撑。在半导体设计的黄金时代，人们可以通过工艺的进步，降低每个晶体管的成本，同时得到性能的提升。然而现在每进入一个新的节点，都需要更长的时间才能保证工艺的成熟和稳定，新工艺的成本又在显著增加。这就为人们带来新的挑战，需要探讨在其他方面做出更多的创新，才能进一步提升处理器性能和算力。异构集成正在成为提升芯片算力的重要发展方向。
那么，什么是异构集成呢?英特尔研究院副总裁、英特尔中国研究院院长宋继强指出，异构集成是将不同工艺架构、不同指令集、不同功能的硬件组合成一个计算系统。同时，异构集成也是芯片、封装、系统、软件的协同。它不是单一的技术点，而是多技术点的综合，涉及器件、设计、软件算法等的融合，以实现一个高效的异构系统。
毛军发指出，异构集成的特点很突出。一是它可以融合不同半导体材料、工艺、结构和元器件;二是采用系统设计理念;三是应用先进技术比如IP和小芯片(Chiplet)，具有2.5维或3维高密度结构。因而使得异构集成芯片可以实现强大且复杂的功能，突破单一半导体工艺的性能极限;同时具有灵活性强、可靠性高、研发周期短，可实现小型化、轻质化等特点。
厂商纷纷投入新产品技术不断涌现
正因为具有这些优点，异构集成已经成为后摩尔时代，半导体技术发展的主要路线，越来越多主流厂商给予高度重视。今年的Computex(台北电脑展)上，AMD就发布了一款实验性的产品Ryzen5000，其采用台积电的3DFabric先进封装技术，成功地将包含有64MBL3Cache的chiplet以3D堆叠的形式与处理器封装在一起。据AMD的介绍，该技术可以提高超过2D芯片200倍的互联密度，与现有的3D封装解决方案相比，互联密度也可达到15倍以上。
基于异构集成技术的发展，英特尔则提出XPU的概念。宋继强表示：“对于英特尔而言，我们推动异构计算的创新，就是通过对不同架构XPU的异构整合，和统一的跨架构编程模型oneAPI实现软硬协同，满足更多工作负载，实现高能效比，帮助客户降低成本并能快速根据需求给出解决方案。”在去年“架构日”上，英特尔在EMIB(嵌入式多芯片互连桥接)2D封装、Foveros3D封装，以及结合2D和3D的CO-EMIB技术基础上，又推出了HybridBonding(混合结合)技术。通过电气连接获得更高的载流能力，加速实现10微米及以下的凸点间距，为异构介质带来更高的互连密度、带宽和更低的功耗。
不仅仅是英特尔与AMD，国际芯片龙头厂商包括英伟达、高通、赛灵思等都对异构集成技术非常重视。国内方面，紫光展锐、北京君正、中星微电子等企业也在积极展开对异构集成的研究与开发，并推出相关产品与解决方案。紫光展锐新推出的唐古拉T770就集成了4核ARMA76、4核ARMA55、Mali-G57GPU以及基带芯片等，是异构集成的典型应用。有观点认为，异构集成已成为21世纪系统级芯片的主流技术，未来30年就是异构集成的时代。
毛军发指出，研究半导体异质集成的科学意义也很显著，可以通过集成电路从目前单一同质工艺向多种异质工艺集成方向发展，从目前二维平面集成向三维立集成方向发展，从而实现高性能的复杂系统。
应对异质挑战需抛弃传统“路”的思维
尽管异构集成的发展前景十分广阔，但是想要真正实现起来也并非易事。毛军发就强调指出，由于不同性能、功能的介质紧密耦合，往往相互矛盾，因此异质电路设计时要解决电磁-热-应力，多物理协同设计，以及有源/无源电路/天线及数字/模拟电路的多功能协同设计问题。在工艺制造方面，异质集成工艺参数调整也会受制于电、热、应力多物理场特性的影响，必须认识其内在关系，掌握工艺量化设计与优化机理。
宋继强也认为，异构集成不仅是在硬件方面，需要打破单一架构，多架构融合的XPU架构将会成为主流。XPU架构的诞生，对软件提出了更高的要求，因为能够同时掌握多种架构编程语言的开发人员凤毛麟角，而软件是释放硬件性能的关键一环，能够跨架构编程的软件模型以及可以提升编程效率的工具就显得极为重要。
英特尔曾提出六大技术支柱，对XPU的实现起到了关键作用，包括制程、架构、内存、互连、安全和软件。异构计算虽然看似一个硬件层级的内容，但要释放其能力，就需要芯片、系统、软件三层一体化考量，才能够发挥作用。一是芯片层，指在芯片封装内的异构，和“小芯片”概念紧密相联;二是系统层，指多功能多架构的计算架构进行整合;三是软件层，统一的跨架构编程模型oneAPI可以通过一套软件接口、一套功能库为开发者提供不同架构上的一些编程的便利性。
面对异构集成的发展，毛军发提出了总体研究思路，即打破集成电路传统“路”的思维，以耦合多物理场理论为基础，以形成异构集成能力为牵引，场、路结合，统领半导体异构集成电路的研究。
总之，随着半导体进入后摩尔时代，异构集成的发展才刚刚起步，未来仍有广阔的发展空间。异构计算也将成为激发半导体技术不断创新的一大动力。
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