全球首個符合ASIL-D的車規級Chiplet D2D互連IP流片

隨著摩爾定律放緩，Chiplet SoC近年來被視為后摩爾時代推動下一代芯片革新的關鍵技術。芯片巨頭AMD就憑借著在Chiplet上的投入，在過去幾年大大拉近了與英特爾在數據中心處理器領域的差距。特斯拉引領了智能汽車電子電器架構由域內集成演變為跨域融合及中央計算架構。近期出現的AIGC促使汽車產業將智能化向更廣泛的應用領域發展。智能汽車對算力需求的飆升使得行業迫切需要平臺化計算硬件來實現降本增效，Chiplet異構集成技術無疑是打破后摩爾時代算力瓶頸的關鍵。全球多家車廠已經在使用Chiplet技術進行下一代芯片產品的研發，實現高性能、可拓展的芯片平臺，從而覆蓋不同車型、不同配置的算力需求。英偉達等芯片廠商最近也宣布了Chiplet在車載領域的一些戰略部署。但Chiplet在車載領域的實踐不是一蹴而就的，誰能拿出既滿足車載大算力需求，又滿足低成本，還滿足車規要求，更能為客戶創造差異化價值的芯片方案，誰才能夠站在后摩爾時代半導體行業的舞臺中心。

決定Chiplet產品性價比和可靠性的關鍵技術之一：Chiplet D2D片間互連技術

從理論上來說，Chiplet就像是搭建樂高積木，通過將單芯片拆分成若干個較小的裸片（Die），再將其互連并封裝成一個異構集成芯片，從而達到甚至超越采用先進工藝芯片的性價比。但是具體到車載領域，Chiplet還面臨著諸多挑戰，其中芯片架構和互連方式是最需攻克的兩大難關。其中芯片架構上的挑戰在于：將原來在單芯片上所實現的功能拆分為多顆Chiplet共同去完成時，Chiplet之間（Die-to-Die，簡稱D2D）通信效率的降低會造成整體性能下降。如何找到最佳拆分方式，將性能下降控制在最低程度，是芯片架構設計的關鍵。而互連方式的挑戰也同樣在于：如何在滿足市場對于成本、可靠性要求的前提下，盡量減少Chiplet D2D通信效率的降低。Chiplet D2D互連技術根據工作方式的不同主要可分為并行互連及串行互連，以下是兩者的對比：

并行互連

先進封裝：低延遲，高成本

并行互連不僅降低了兩顆芯片之間的延遲，還可以通過增加總線寬度來提升帶寬。然而，并行互連面臨的現實瓶頸是制造成本偏高。究其原因，是因為并行互連的I/O連接線數量較大，需要依賴諸如CoWoS、InFO一類的先進封裝技術，而這會導致成本的巨大提升，也對可靠性提出了更高的挑戰。

串行互連

傳統封裝：高延遲，低成本

串行互連技術大大減少了芯片之間通信所需的I/O連接線總數，因此不需要依賴于先進封裝，可以實現相對較低的成本，也相對比較容易實現更高的可靠性。但串行互連方式通常會引起額外約50-150 ns的延遲，不能滿足實時性要求較高的應用需求。

在智能汽車這樣一種對性能（尤其是實時性）、成本和可靠性都非常敏感的應用場景下，如果采用常見的串行互連方式及傳統封裝技術，雖然可以降低成本和可靠性風險，但顯然在通信延遲性能方面又遠達不到實時性要求；而如果采用所謂的先進封裝技術實現并行互連，其高昂的成本和未經車規檢驗的可靠性等風險都會讓人望而卻步。在滿足可靠性前提下，做好性能與成本之間的平衡，是Chiplet D2D互連方式的制勝關鍵。

為車載中央計算而生，芯礪智能獨創Chiplet D2D互連IP流片

芯礪智能全自研的Chiplet D2D 互連IP兼有并行互連技術的高帶寬、低延遲和串行互連技術的高可靠性、低成本的優勢。該互連IP的端到端延遲小于5 ns，和片內總線延遲在一個量級，可以很好地支持不同處理器之間，以及處理器和存儲器之間的低延遲互連的要求。另一方面，當前先進封裝還未能完全符合車規要求，而芯礪智能Chiplet D2D 互連IP支持車規級傳統封裝，可以廣泛應用于車載領域。

圖1 Chiplet D2D 互連IP框圖

芯礪智能的Chiplet D2D互連IP采用專利性的設計，通過一種用于片間互連的總線流水線性結構，做到了以較小的實際位寬來實現片間高帶寬及低延遲的互連，從而可以擺脫對先進封裝的依賴，用低成本的傳統封裝來實現片間互連。基于傳統封裝的Chiplet D2D互連技術更易于實現AEC-Q100的車規認證，從而達成高性價比、高可靠性的解決方案。

圖2 芯礪Chiplet D2D核心優勢：

并行性能，串行成本

得益于這些領先的設計，芯礪智能的Chiplet D2D互連 IP可廣泛應用于各種需要高帶寬、高可靠性、低延遲、低成本的應用場景，包括自動駕駛、高性能邊緣計算、機器人、人工智能等領域。以先進的駕駛輔助系統和自動駕駛領域為例，這樣的應用場景對系統的實時性和安全性有著非常高的要求。芯礪智能的Chiplet D2D互連 IP為這些系統提供了低延遲且高性價比的互連解決方案，可以加速信號處理流程，提高系統的反應速度。

本月初，芯礪智能全球首個符合ASIL-D功能安全等級的車規級Chiplet D2D互連IP流片。值得一提的是，該 IP所采用的核心技術已經獲得了由美國專利及商標局（United States Patent and Trademark Office, USPTO）授予的獨家專利，國內的專利認證流程也正如火如荼地進行著。

Chiplet D2D互連技術應用于車載領域的功能安全挑戰：ASIL-D

對于汽車芯片，ISO 26262是一個不能繞過的關鍵標準。作為ISO 26262標準用于評估安全的等級，ASIL將汽車電子系統安全性能分為四個等級：ASIL-A、ASIL-B、ASIL-C 和 ASIL-D。其中，ASIL-D 表示最高安全等級。Chiplet D2D互連技術達到ASIL-D的級別確保能夠滿足復雜系統的安全性和可靠性要求。從失效影響角度，Chiplet D2D互連技術本身的失效會提升系統失效風險，而ASIL-D的Chiplet D2D互連技術可以完整覆蓋互連的失效，極大的降低系統風險。此外，ASIL-D的Chiplet D2D互連技術可以應用到不同等級的安全域，而Chiplet D2D互連技術的糾錯、重傳機制更是可以有效提升系統的可用性。

達到ASIL-D級別的Chiplet D2D互連技術在設計、開發、測試和驗證等方面都有非常嚴格的要求，這需要嚴格的安全管理體系、完備的安全架構分析和細致的安全技術實施等多方面能力的支撐。以下是達到ASIL-D安全等級的 Chiplet D2D互連技術的關鍵點：

安全分析和架構設計： 對Chiplet D2D互連技術的具體功能，失效模式和安全機制完整的分析是ASIL-D架構的基礎。這需要IP架構師，安全架構師通過FTA，FMEA等方式對IP架構進行詳盡的失效模式分析、影響分析，據此設計高覆蓋率的安全機制，并通過FMEDA確認整體覆蓋率（芯礪智能的Chiplet D2D互連 IP的SPFM=99.072%, LFM=90.641%）。此外，在架構設計時，不僅需要考慮高覆蓋率的安全機制，也需要考慮安全機制對延遲、面積，驗證，測試，易用性的影響，最終達成一個高效的IP架構。

故障后處理設計：IP若發生故障，系統通常需要進入復雜的故障恢復流程（系統重啟等），從而導致系統在一段時間不可用，大大降低整體系統的可用性。為了提升整體系統的可用性，Chiplet D2D互連技術要具備高容錯性，故障后處理需盡量考慮快速故障修復。在整個Chiplet D2D互連技術的架構中，需考慮多種糾錯技術，包括ECC、重傳等機制，并且和原有功能架構形成良好的耦合。

驗證：Chiplet D2D互連技術的驗證應經過仔細規劃和驗證。這涉及到總線、安全機制和故障后處理等多方面的協同驗證。同時，也需要在各種不同的驗證平臺進行完備的故障注入測試，比如在RTL和門級仿真時候通過工具進行故障注入測試，在FPGA平臺進行的軟件故障注入測試，在流片回片后的互連故障注入測試等。

安全管理：ASIL-D的安全管理流程對于確保Chiplet D2D互連技術的安全性至關重要，這包含了完備的安全計劃和每個安全活動的高質量完成。其中，每個安全要求應在安全計劃中被清晰定義和記錄，安全要求、設計和驗證活動需被文檔化，同時要確保安全活動中文檔的可追溯性。

安全檔案：完整的安全檔案可以協助客戶的產品順利通過功能安全認證。這包括完備、規范的安全分析交付件（FTA/FMEA/FMEDA），完整、易用的安全手冊，以及第三方權威機構認證證書。

今年6月初，芯礪智能Chiplet D2D 互連 IP獲得了全球首個車規級ISO26262 ASIL-D Ready認證，該項認證標志著芯礪智能Die-to-Die Interconnect IP滿足最高功能安全要求，可以應用在安全性要求最高的車載場景，是智能汽車算力平臺芯片研發的重要里程碑，也開啟了芯礪智能在智能汽車芯片市場的新階段。