2023年是向多芯片系統發生巨變的一年。

現在似乎每個人都在談論多芯片系統，半導體行業不僅在談論它們——多芯片系統已經上市。隨著計算需求的激增和摩爾定律的減弱，將多個異構裸片或小芯片集成到同一封裝中的系統提供了一種方法來滿足苛刻的功率、性能、面積 （PPA）、成本和上市時間要求。多芯片系統使設計人員能夠以具有成本效益的價格加速系統功能的擴展、降低風險并快速創建新產品變體以實現靈活的產品組合管理。但是，雖然多芯片系統早在一兩年前就已經提出，它其實一直有緩慢的進展。

到目前為止。隨著多芯片系統開始更深入地進入主流半導體世界，即將到來的 2023 年似乎是一個轉折點。為什么我們認為 2023 年是向多芯片系統發生巨變的一年？最大的變化是圍繞這些架構的更廣泛的生態系統正在成熟，為成本效益和成功提供了更大的機會。對設計和驗證工具、IP 和制造的投資正在融合，以幫助克服以前的障礙，為采用多芯片系統鋪平道路。

更智能的產品對芯片的要求更高

每一代人的智能手機都變得越來越智能。AI 算法和大數據聯手產生了洞察力，推動了從疫苗發現到氣候變化等重大挑戰的進一步進展。先進的機器人技術現在可以生產商品或進行手術。我們的設備和系統的智能水平正在迅速提高，隨之而來的是對更多功能、更高帶寬、更好性能和更低功耗的更大需求——通常是在相同或更小的封裝內。摩爾定律自成立以來一直是堅定不移的，每兩年計算性能翻一番，同時降低整體功耗。然而，在我們當前的數據驅動時代，性能需要以更快的速度擴展才能跟上步伐。處理、內存、帶寬——它們都與單片 SoC 相撞。此外，我們正在快速接近制造的光罩極限，屆時密度縮放將隨著成本上升而大幅放緩。這就是多芯片系統大放異彩的地方，為激發持續創新提供了一條新途徑。

多芯片系統——集成的異構小芯片——可以擁有數萬億個晶體管。它們提供了靈活性，可以根據特定工藝技術的獨特要求以及整體系統性能和成本目標，為特定功能指定芯片。從 2023 年開始，多芯片系統的設計開始預計在未來幾年內將顯著增長。在不久的將來，這種架構的最大采用者可能是高性能計算 （HPC） 和超大規模數據中心中的那些人考慮到計算密集型工作負載。移動領域的芯片設計人員也在進行多芯片系統設計，利用 PPA 的優勢為其空間受限的設備設計。

考慮到多芯片的多種形式，一些移動制造商正在利用先進封裝來提高芯片密度。汽車芯片設計人員也在采用多芯片系統（例如用于 AI 模型訓練的 Tesla D1），我們看到該行業越來越多的芯片制造商對此感興趣。難怪——通過針對不同的專業功能使用不同的芯片，汽車子系統可以更好地滿足總體 PPA 和成本要求。現實情況是，考慮到多芯片系統的成本、功能集成和擴展優勢，它們正在所有應用領域中推廣。因此，問題不在于不同行業是否會以這種方式移動，而是何時。所有跡象都表明 2023 年將是大規模采用的起點。

成熟的多芯片系統生態系統

圍繞多芯片系統的生態系統正在迅速成熟，這對于實現更廣泛的采用至關重要。雖然AMD、亞馬遜網絡服務、蘋果和英特爾等芯片制造商已經在市場上推出了此類設計，但該行業的其他主要參與者正在大舉進軍。一個重要的驅動因素是工具支持。雖然需要手動分析的專有工具和腳本已經很普遍，但現在更廣泛的整體、統一和成熟的工具有助于簡化設計、驗證、測試、簽核和硅生命周期管理功能，向用戶隱藏深層的復雜性。

用于穩健和安全的芯片到芯片連接的標準化 IP 現在也可用，以降低集成風險并加速小芯片市場。成熟生態系統的另一個標志是代工方面的活動。聯盟、流程和先進的封裝技術可用于支持多芯片系統。外包半導體組裝和測試 （OSAT） 供應商是制造供應鏈中的其他參與者，提供多芯片封裝所需的技術。事實上，封裝領域的進步正在促進多芯片系統的增長。最值得注意的是，硅中介層、再分布層 （RDL） 和 3D 堆疊先進封裝實現了重大突破，實現了高集成密度并提高了電源效率和性能。在標準方面，Universal Chiplet Interconnect Express （UCIe） 規范被證明是一個關鍵的推動因素，并且由于各種原因正在成為 die-to-die 連接的首選標準：

該規范目前支持 2D、2.5D 和橋包，預計將支持 3D 包。

它是唯一具有完整芯片到芯片接口堆棧的標準。

它支持每個引腳高達 32 Gbps 的帶寬——足以滿足當今和未來的應用。

另一種正在取得長足發展的技術是硅光子學，它利用光的力量來傳輸和處理數據，并在異構多芯片封裝中占有一席之地。通過提供高能效的帶寬擴展，集成到多芯片系統中的光子 IC 為解決日益增加的功率和數據量挑戰提供了答案。OpenLight是一家由Synopsys和Juniper Networks組成的公司，它提供了一個開放的硅光子學平臺，集成了激光器，簡化了將硅光子學集成到芯片設計中的過程。

從拐點到騰飛

如果 2022 年末是多芯片系統的轉折點，那么 2023 年將是這些架構真正騰飛的一年。一些設計團隊可能會發現多芯片系統方法比向下移動另一個節點更具成本效益。其他人可能希望利用 PPA、成本和上市時間優勢。無論如何，多芯片系統有望成為與其中的單芯一樣的主流，從而推動不斷改變我們生活的應用程序實現更高水平的性能。

編輯：黃飛