2023年是多芯片系统的转折点？

2023年是向多芯片系统发生巨变的一年。

现在似乎每个人都在谈论多芯片系统，半导体行业不仅在谈论它们——多芯片系统已经上市。随着计算需求的激增和摩尔定律的减弱，将多个异构裸片或小芯片集成到同一封装中的系统提供了一种方法来满足苛刻的功率、性能、面积 （PPA）、成本和上市时间要求。多芯片系统使设计人员能够以具有成本效益的价格加速系统功能的扩展、降低风险并快速创建新产品变体以实现灵活的产品组合管理。但是，虽然多芯片系统早在一两年前就已经提出，它其实一直有缓慢的进展。

到目前为止。随着多芯片系统开始更深入地进入主流半导体世界，即将到来的 2023 年似乎是一个转折点。为什么我们认为 2023 年是向多芯片系统发生巨变的一年？最大的变化是围绕这些架构的更广泛的生态系统正在成熟，为成本效益和成功提供了更大的机会。对设计和验证工具、IP 和制造的投资正在融合，以帮助克服以前的障碍，为采用多芯片系统铺平道路。

更智能的产品对芯片的要求更高

每一代人的智能手机都变得越来越智能。AI 算法和大数据联手产生了洞察力，推动了从疫苗发现到气候变化等重大挑战的进一步进展。先进的机器人技术现在可以生产商品或进行手术。我们的设备和系统的智能水平正在迅速提高，随之而来的是对更多功能、更高带宽、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装内。摩尔定律自成立以来一直是坚定不移的，每两年计算性能翻一番，同时降低整体功耗。然而，在我们当前的数据驱动时代，性能需要以更快的速度扩展才能跟上步伐。处理、内存、带宽——它们都与单片 SoC 相撞。此外，我们正在快速接近制造的光罩极限，届时密度缩放将随着成本上升而大幅放缓。这就是多芯片系统大放异彩的地方，为激发持续创新提供了一条新途径。

多芯片系统——集成的异构小芯片——可以拥有数万亿个晶体管。它们提供了灵活性，可以根据特定工艺技术的独特要求以及整体系统性能和成本目标，为特定功能指定芯片。从 2023 年开始，多芯片系统的设计开始预计在未来几年内将显着增长。在不久的将来，这种架构的最大采用者可能是高性能计算 （HPC） 和超大规模数据中心中的那些人考虑到计算密集型工作负载。移动领域的芯片设计人员也在进行多芯片系统设计，利用 PPA 的优势为其空间受限的设备设计。

考虑到多芯片的多种形式，一些移动制造商正在利用先进封装来提高芯片密度。汽车芯片设计人员也在采用多芯片系统（例如用于 AI 模型训练的 Tesla D1），我们看到该行业越来越多的芯片制造商对此感兴趣。难怪——通过针对不同的专业功能使用不同的芯片，汽车子系统可以更好地满足总体 PPA 和成本要求。现实情况是，考虑到多芯片系统的成本、功能集成和扩展优势，它们正在所有应用领域中推广。因此，问题不在于不同行业是否会以这种方式移动，而是何时。所有迹象都表明 2023 年将是大规模采用的起点。

成熟的多芯片系统生态系统

围绕多芯片系统的生态系统正在迅速成熟，这对于实现更广泛的采用至关重要。虽然AMD、亚马逊网络服务、苹果和英特尔等芯片制造商已经在市场上推出了此类设计，但该行业的其他主要参与者正在大举进军。一个重要的驱动因素是工具支持。虽然需要手动分析的专有工具和脚本已经很普遍，但现在更广泛的整体、统一和成熟的工具有助于简化设计、验证、测试、签核和硅生命周期管理功能，向用户隐藏深层的复杂性。

用于稳健和安全的芯片到芯片连接的标准化 IP 现在也可用，以降低集成风险并加速小芯片市场。成熟生态系统的另一个标志是代工方面的活动。联盟、流程和先进的封装技术可用于支持多芯片系统。外包半导体组装和测试 （OSAT） 供应商是制造供应链中的其他参与者，提供多芯片封装所需的技术。事实上，封装领域的进步正在促进多芯片系统的增长。最值得注意的是，硅中介层、再分布层 （RDL） 和 3D 堆叠先进封装实现了重大突破，实现了高集成密度并提高了电源效率和性能。在标准方面，Universal Chiplet Interconnect Express （UCIe） 规范被证明是一个关键的推动因素，并且由于各种原因正在成为 die-to-die 连接的首选标准：

该规范目前支持 2D、2.5D 和桥包，预计将支持 3D 包。

它是唯一具有完整芯片到芯片接口堆栈的标准。

它支持每个引脚高达 32 Gbps 的带宽——足以满足当今和未来的应用。

另一种正在取得长足发展的技术是硅光子学，它利用光的力量来传输和处理数据，并在异构多芯片封装中占有一席之地。通过提供高能效的带宽扩展，集成到多芯片系统中的光子 IC 为解决日益增加的功率和数据量挑战提供了答案。OpenLight是一家由Synopsys和Juniper Networks组成的公司，它提供了一个开放的硅光子学平台，集成了激光器，简化了将硅光子学集成到芯片设计中的过程。

从拐点到腾飞

如果 2022 年末是多芯片系统的转折点，那么 2023 年将是这些架构真正腾飞的一年。一些设计团队可能会发现多芯片系统方法比向下移动另一个节点更具成本效益。其他人可能希望利用 PPA、成本和上市时间优势。无论如何，多芯片系统有望成为与其中的单芯一样的主流，从而推动不断改变我们生活的应用程序实现更高水平的性能。

编辑：黄飞