打造生態系 小芯片卷起半導體產業一池春水

在過去數年的時間，半導體的2.5D異質整合芯片的確解決了很多半導體產業發展上所遇到的挑戰，包括舒緩摩爾定律的瓶頸，還有在降低一次性工程費用 ( Non-Recurring Engineering；NRE ) 的同時，還能提供高階處理能力，并且還能提高產量以及縮短產品上市時間。

小芯片生態系統成形
隨著半導體技術不斷的發展，在技術上其實已經不太是個問題了。特別是近年來先進制程的開發不斷傳出新的捷報，在摩爾定律的瓶頸上似乎又被工程界不斷開發出新的道路。因此看今天的半導體發展，技術并不是個太大的難題，主要的問題在于一個全新商業模式的形成。
在今天的半導體業界，許多大型企業為了加速芯片整合速度，以及提升半導體密度，因而使用了2.5D芯片。事實上進一步觀察這些廠商的規模，已經足以走出一條自己的路，并開創出一條自己的半導體小芯片（Chiplet）生態系統。
至于不到那么大規模的半導體企業，最大的挑戰仍是在于現成小芯片設計上的可用性，例如透過這種方式去發展出異質整合芯片（Heterogeneous SoC；HSoC）。如果不是透過小芯片的方式來發展異質整合芯片，其初始HSoC開發的NRE費用將可能會比傳統SoC還更昂貴。

持續實現獲利
事實上，在半導體制造中的真正革命，所需要的是小芯片的有效商用市場。少了這樣的小芯片生態系統，小芯片和異質整合芯片仍將永遠是大型半導體制造商的專屬領域，一般中小型半導體廠商根本沒有能力跨入。此類市場的關鍵是適當的庫存、兼容性、資料文文件和可測試性。盡管如此，對于任何的商業實體來說，其實都需要一條更明確的途徑來實現持續的獲利，特別是半導體產業這種動輒花費高額成本的燒錢產業。
小芯片的推動需要生態圈中許多不同的角色的參與，而建立小芯片市場的起步，非常需要一個推動的力道，這里所指的力道，其中很關鍵的要素是大量的初期投資，來使小芯片的計劃啟動。在新興市場中，特別是半導體市場，任何先行者都將會面臨著許多不確定性。因此市場的推動者必須準備一筆大量的投資，并且愿意冒險。基本上，一個強有力的技術推動者（講明了就是一個龐大的財團），很可能正是帶領這種新技術典范起飛的關鍵。

異構3D封裝系統
3D整合和封裝技術的進步，現在使得在包含多種技術小芯片的單一封裝中構建復雜的系統成為可能。
從歷史上看，由于功率、性能和成本方面的考慮，高級整合使用整體式設計來實現。透過包裝和堆棧技術的創新，設計人員可以將其系統與小芯片整合到單一封裝中，這些小芯片可以使用所選定的制程技術來優化特定功能。
新興系統要求以極小的接口功率來實現非常高的互連帶寬。實現這一目標的兩個關鍵要素：包括超短距離接口標準和3D整合封裝技術。

先進接口總線AIB
 

圖一 : 可能的異構系統封裝范例，該系統使用AIB作為接口將傳感器、ASIC、FPGA、CPU、內存和I / O串連在一起。

英特爾的先進接口總線（Advanced Interface Bus；AIB）技術，是芯片對芯片的PHY級別傳輸標準，可透過Chiplet的IP庫來實現模塊化的系統設計方法。
AIB使用類似于DDR DRAM接口的并行數據傳輸機制。AIB與制程和封裝技術無關，例如英特爾的嵌入式多晶粒互連橋接（EMIB）或臺積電的CoWoS等封裝技術。英特爾現在提供免版稅的AIB接口授權，以支持廣泛的小芯片設計、服務提供商、代工廠、封裝和系統供貨商等生態系統。

打造小芯片生態鏈
許多主要的大型半導體供貨商，例如英特爾、AMD、Marvell，還有一些具有規模的系統公司（例如思科）都正在投入開發HSoC異構系統，這些科技大廠基本上特性并不相同，而他們投入開發異構系統通常也出于不同的原因。
例如英特爾可能就是這種異構技術的最大采用者，且至少已經投入發展幾種不同的異構產品線。例如透過異構技術來打造出優化的處理器產品，以及在FPGA產品在線，透過異質化的架構來完備其FPGA架構，使其FPGA可以允許更高速的運算處理。
至于AMD則是透過異構設計來提高芯片的產量，并允許將重點發展的產品透過最為最先進且最昂貴的7nm制程技術來生產。而思科之所以采用異構設計，是因為它們的系統已經變得非常龐大，透過異質架構才是最適合的發展方式。
在所有的這些情況下，工程團隊都在解決非常特定的問題，盡管這些問題不一定會通用到足以被廣泛采用。我們可以發現，透過小芯片的使用，讓他們能夠將產品推向市場，而且這些產品比起競爭對手的商品還要更有競爭優勢。為了避免競爭對手也獲得相同的技術，進而推出相似的競爭產品，這些小芯片的供貨商不太可能與其他廠商共享小芯片技術。

結語


圖二 : 小芯片的設計架構示意

在這樣的商場現實之下，未來主要的半導體公司都將繼續按著自家私有的小芯片生態系統發展道路走下去。盡管英特爾在幾年前推出了先進接口總線AIB標準，正是針對小芯片之間的相互鏈接而打造，目前Intel也陸續推出了更新一代的EMIB封裝標準，然而其他小芯片廠商的采用度還有待觀察，在采用上還存在諸多考慮（一般認為多半都是出自于各自的利益使然），這樣的考慮也使得小芯片生態鏈的發展受到了些許限制與阻礙。
**刊頭圖（source：intel.com）