Chiplet的互連架構(gòu)與實施技術(shù)

逍遙設(shè)計自動化

引言
0 O- i8 y$ X) nChiplet 技術(shù)代表著半導(dǎo)體設(shè)計的重要轉(zhuǎn)變，通過將復(fù)雜的片上系統(tǒng) (SoC) 分解為較小的模塊化組件。這種方法提供了更大的靈活性和可擴(kuò)展性，但成功的關(guān)鍵在于連接這些組件的互連架構(gòu)。本文探討 Chiplet 互連技術(shù)的主要方面和實施挑戰(zhàn)[1]。

% r+ E% I1 S" c4 R- z/ d& J互連基礎(chǔ)
  M+ J5 d2 R9 F( T9 I5 _$ m互連在 Chiplet 架構(gòu)中起著關(guān)鍵連接作用，包括多層連接。根據(jù) Arm 公司系統(tǒng)架構(gòu)師兼研究員 Rob Dimond 的說法，這包括單個 Chiplet 內(nèi)的片上網(wǎng)絡(luò) (NoC)、各種內(nèi)部互連，以及促進(jìn) Chiplet 之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄓ?Chiplet 互連快速通道 (UCIe)。互連架構(gòu)必須高效處理內(nèi)部數(shù)據(jù)移動和外部通信。
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互連的物理實現(xiàn)通常依賴于導(dǎo)線，盡管未來的發(fā)展可能在封裝之間和內(nèi)部都采用光學(xué)互連。這些導(dǎo)線并不統(tǒng)一 - 在直徑、密度、絕緣和材料成分上都有所不同，每種特性都會影響性能。導(dǎo)線的數(shù)量和特性直接影響設(shè)計決策和實施策略。
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1 g* C7 [+ F1 J9 A* p0 e+ }圖 1：Alphawave 的多標(biāo)準(zhǔn) I/O Chiplet，展示AlphaCHIP1600-IO 架構(gòu)，具有 D2D UCIe PHY 層、流協(xié)議控制器以及用于以太網(wǎng)和 PCIe 連接的各種接口控制器。
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分區(qū)和架構(gòu)考慮
成功實施 Chiplet 需要仔細(xì)考慮分區(qū)策略�；�本挑戰(zhàn)在于理解如何有效地分散計算和數(shù)據(jù)流。這包括分析目標(biāo)應(yīng)用的要求，并確定在多個 Chiplet 之間劃分功能的最佳方式。
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$ n9 m5 x$ [! y2 D1 A! `例如，在 GPU 密集型應(yīng)用中，現(xiàn)代語言模型的規(guī)模常常超過單個 GPU 的能力，需要在多個 Chiplet 之間進(jìn)行分布式處理。這在保持?jǐn)?shù)據(jù)一致性和管理 Chiplet 間通信帶寬方面帶來了額外的挑戰(zhàn)。
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2 _, n- R  S. {3 Z$ `0 Q# M汽車行業(yè)是 Chiplet 分區(qū)的特別有趣的案例。西門子數(shù)字工業(yè)軟件的 David Fritz 解釋了汽車制造商如何探索基于 Chiplet 的解決方案，通過改變系統(tǒng)中使用的 Chiplet 數(shù)量來提供不同性能層級。
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實施挑戰(zhàn)與解決方案
在實施基于 Chiplet 的系統(tǒng)時，必須解決幾個關(guān)鍵挑戰(zhàn)：
8 X$ r7 \; J7 c0 _6 P1. 物理接口設(shè)計：芯片間連接通常采用高速但相對窄的接口。這些連接必須采用數(shù)據(jù)包化方式，類似于通信協(xié)議，而不是傳統(tǒng)的片上總線。這種方法允許在管理物理約束的同時進(jìn)行高效的數(shù)據(jù)傳輸。

2. 內(nèi)存管理：內(nèi)存映射架構(gòu)在 Chiplet 系統(tǒng)中變得極為重要。Arteris 的 Ashley Stevens 強(qiáng)調(diào)了在細(xì)粒度和粗粒度內(nèi)存映射之間取得平衡的重要性。雖然細(xì)粒度映射可以均勻分布訪問，但可能由于 Chiplet 間通信延遲而引入延遲問題。
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3. 測試和驗證：Chiplet 系統(tǒng)在測試和驗證方面帶來了新的挑戰(zhàn)。Alphawave Semi 的 Letizia Giuliano 指出了開發(fā)新測試方法的必要性，特別是對于運(yùn)行速度達(dá)到 32Gbps 及以上的高速接口。這包括在 PHY 層內(nèi)開發(fā)特定的測試結(jié)構(gòu)和實施全面的調(diào)試功能。

未來方向和標(biāo)準(zhǔn)化
/ H) c  ]$ k$ `8 b8 ^行業(yè)正在推動 Chiplet 接口的標(biāo)準(zhǔn)化，包括 AMBA CHI、UCIe 和 BoW 等幾個競爭協(xié)議。雖然英特爾、AMD、NVIDIA 和蘋果等主要公司已經(jīng)在實施 Chiplet 設(shè)計，但這些主要是專有解決方案。發(fā)展真正的商業(yè) Chiplet 市場需要進(jìn)一步的標(biāo)準(zhǔn)化和協(xié)作。

. R( E" q  K5 `& v+ S行業(yè)聯(lián)盟正在形成以應(yīng)對這些挑戰(zhàn)。歐洲的 imec 汽車 Chiplet 計劃 (ACP) 和日本的汽車 SoC 研究聯(lián)盟 (ASRA) 正在致力于標(biāo)準(zhǔn)化架構(gòu)方法和物理實現(xiàn)。這些努力的重點是創(chuàng)建可以在不同性能層級和應(yīng)用中使用的可擴(kuò)展解決方案。

4 A) X9 m" H) o) M+ D; G% m/ S  Q7 M實現(xiàn)完整的 Chiplet 生態(tài)系統(tǒng)需要在標(biāo)準(zhǔn)化和互操作性方面繼續(xù)努力。正如 Keysight 的 Chun-Ting "Tim" Wang Lee 所指出的，確保不同 Chiplet 標(biāo)準(zhǔn)能夠無縫協(xié)作仍然是行業(yè)面臨的重大挑戰(zhàn)。這種互操作性對于實現(xiàn) Chiplet 技術(shù)的全部潛力和實現(xiàn)真正的即插即用 Chiplet 市場很重要。
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, D. e5 f9 I( p( \# y參考文獻(xiàn)
[1] Mutschler, "Chiplets make progress using interconnects as glue," Semiconductor Engineering, Oct. 31, 2024. [Online]. Available: https://semiengineering.com/chiplets-make-progress-using-interconnects-as-glue/ [Accessed: Dec. 1, 2024]
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5 `. n; I1 y7 W8 q  L( ?深圳逍遙科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家專注于半導(dǎo)體芯片設(shè)計自動化（EDA）的高科技軟件公司。我們自主開發(fā)特色工藝芯片設(shè)計和仿真軟件，提供成熟的設(shè)計解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分別針對光電芯片、微機(jī)電系統(tǒng)、超透鏡的設(shè)計與仿真。我們提供特色工藝的半導(dǎo)體芯片集成電路版圖、IP和PDK工程服務(wù)，廣泛服務(wù)于光通訊、光計算、光量子通信和微納光子器件領(lǐng)域的頭部客戶。逍遙科技與國內(nèi)外晶圓代工廠及硅光/MEMS中試線合作，推動特色工藝半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，致力于為客戶提供前沿技術(shù)與服務(wù)。

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