Chiplet 颠覆芯片创新，一文看懂计算平台大厂 Arm 的布局蓝图

电子发烧友网报道（文 / 吴子鹏）芯粒（Chiplet）技术作为半导体领域的一项创新技术，拥有极为广阔的应用前景。一方面，通过将不同功能的芯粒进行异构集成，能够在不依赖更先进制程工艺的情况下，实现芯片整体性能的提升，这为突破摩尔定律的限制开辟了新路径，同时显著降低复杂 SoC 的设计和制造成本，提高芯片良率；另一方面，芯粒技术与当前 AI 芯片多样化和快速迭代的发展趋势高度契合，通过合理搭配不同功能的芯粒，并优化芯粒之间的通信和协同工作机制，采用芯粒架构的 AI 芯片能够在提高算力的同时，更好地控制功耗，提升能效比，且具备出色的设计灵活性。

根据 MEMS 麦姆斯咨询发布的《芯粒（Chiplet）技术及市场 - 2024 版》，在数据中心和人工智能（AI）等领域高性能计算需求的推动下，预计到 2035 年全球芯粒市场规模将达到 4110 亿美元。如下图所示，传统 SoC 设计和芯粒架构之间存在明显差异，高速发展的芯粒技术正在颠覆传统芯片的设计方式。那么，作为从半导体IP大厂转型成为领先计算平台公司的 Arm会如何应对这一变革呢？

 
传统 SoC 设计和芯粒架构对比，图源：MEMS 麦姆斯咨询

芯粒技术：创新与挑战并存

多年来，摩尔定律主导着芯片技术的发展，持续推动芯片性能不断提升。但随着制程工艺逐渐逼近物理极限，继续按照传统方式提升芯片性能变得愈发艰难，成本也急剧攀升。这使得不再单纯依赖先进制程工艺来实现芯片性能飞跃的芯粒技术，得到了业界的广泛关注。

与传统大型 SoC 的一体化设计不同，芯粒技术采用模块化设计理念，各个芯粒可以独立设计、制造和测试。如果某个芯粒出现问题，只需更换该芯粒，这大大降低了研发和制造成本。在实际设计过程中，不同功能的芯粒还可以根据需求选择最适合的制程工艺，无需为了满足所有功能对性能的最高要求，而全部采用最先进（同时也是最昂贵）的制程工艺，这使得芯片设计和制造在成本控制上更加灵活高效。

此外，芯粒技术由于其模块化的设计方式，也赋予了芯片设计更高的定制化能力。能够根据具体应用需求，灵活选择和组合不同功能的芯粒，快速定制出满足特定需求的芯片。例如，在人工智能领域，对于侧重图像识别的应用，可以将强大的图形处理芯粒与深度学习专用芯粒相结合；而对于自然语言处理应用，则可以强化计算芯粒与存储芯粒之间的协同。

不过，芯粒作为一项创新技术，也面临诸多技术和生态层面的挑战。首先，尽管芯粒技术前景广阔，但目前仍面临接口标准不统一的问题。由于缺乏统一的接口标准，不同供应商生产的芯粒在互操作性上存在较大障碍。在这方面，芯粒技术的模块化是以标准化为基础，而现阶段因为接口形状和尺寸各异，很难拼接在一起。

其次是封装和测试的复杂性提升。随着芯粒数量的增加和集成度的提高，封装技术面临着巨大挑战。如何在有限的空间内，实现芯粒之间的高速、低延迟通信，是封装技术需要解决的关键问题。另外，由于每个芯粒都有其独立的功能和性能要求，需要对每个芯粒进行单独测试，确保其符合设计标准。而且在将多个芯粒集成在一起后，还需要对整个芯片系统进行全面的测试和验证，这无疑增加了验证和测试的复杂性。

Arm 如何推动芯粒技术发展

在芯片发展历程中，Arm 公司的技术创新对行业发展产生了多方面的深远影响，包括推动架构创新、降低设计门槛、促进异构计算技术发展等。一直以来，Arm 公司都在积极推动芯粒技术的发展。

从推出芯粒系统架构 (CSA) 到发布首个公开规范，Arm 为芯粒技术提供了一个基础的架构框架，建立了统一的行业标准，减少了行业的碎片化现象，进一步推动芯粒技术的标准化。目前，已有超过 60 家行业领先企业参与其中，包括 ADTechnology、Alphawave Semi、AMI、楷登电子、云豹智能、Kalray、Rebellions、西门子和新思科技等。

为了提供加速芯粒应用所需的通用框架，Arm 公司做了大量工作。2024 年 4 月，Arm 携手合作伙伴共同推动 AMBA CHI 芯片到芯片互连协议等倡议的落地实施。AMBA CHI 协议是 AMBA 总线架构的一部分，主要用于在多芯片系统（如片上系统集成多个芯粒等场景）中实现不同芯片之间的高速数据传输和通信。该协议旨在提供一种标准化、高性能、低延迟且具有高可扩展性的芯片间互连解决方案，以满足现代复杂系统对不同芯片间协同工作的要求。AMBA CHI 协议不仅适用于同一供应商的芯粒，还能确保来自不同供应商的不同芯粒通过一个统一的接口协议来确保芯粒之间的互操作性。作为在 AMBA CHI C2C 领域的重要合作伙伴，NVIDIA 高度认可该标准的重要性。

 
关键 AMBA 规范，图源：Arm

除了推动芯粒技术的标准化，Arm 公司也在通过持续的研发投入来促进芯粒技术创新。Arm 为芯片设计厂商提供了丰富的设计工具和成熟的计算平台，帮助他们更高效地进行芯粒的设计和集成。这些工具和解决方案经过了大量的测试和验证，具有较高的可靠性和性能，能够大大缩短芯片设计的周期，降低研发门槛。Arm 公司还致力于推动芯粒底层技术的发展，在芯粒技术的底层硬件设计、互联技术等方面持续投入研发。

Arm 在芯粒领域的成果

持续的研发投入和标准化推动，让 Arm 公司的芯粒技术生态逐渐强大。Arm 积极与芯片设计公司、芯片制造商、软件开发商等产业链上下游企业开展广泛合作。与芯片设计公司合作，Arm 提供丰富的设计工具和成熟的计算平台，以及标准化的芯粒架构和接口，帮助他们实现性能领先的芯粒方案或芯片方案；与芯片制造商合作，将芯粒技术应用于实际的芯片生产中，推动产品的商业化落地；与软件开发商合作，开发适配芯粒架构的操作系统、编译器等软件，完善芯粒技术的生态体系。我们来看两个具体的案例。

其中一个案例是 Arm、三星晶圆代工厂 (Samsung Foundry) 、ADTechnology 和 Rebellions 合作开发基于 Neoverse CSS V3 的 AI CPU 芯粒 (chiplet) 平台，应用于云、高性能计算 (HPC) 以及人工智能 / 机器学习 (AI/ML) 训练和推理。在这个案例中，Arm 提供 Neoverse CSS V3 架构，为平台奠定了先进的计算基础架构；ADTechnology 提供基于 Neoverse CSS V3 的计算芯粒，为平台的计算能力提供了核心支持；三星提供 2nm 全环绕栅极（GAA）先进工艺技术来制造芯粒平台，这种先进工艺能够提供更高的晶体管密度、更低的功耗和更高的性能；Rebellions 将其 REBEL AI 加速器融入平台，为平台提供了专门的 AI 加速能力。

另一个案例是 Arm 和新思科技围绕 AMBA 协议展开的合作，以确保双方的共同客户能够从使用 AMBA CHI C2C 协议中获益，同时确保小芯片和 Multi-Die 设计符合协议标准。新思科技针对基于 CHI 主机的 SMP 拓扑结构和 CHI 主机到 CXL 高速缓存 / 内存器件的拓扑结构开发了多款 AMBA 验证 IP 及多芯片验证解决方案，帮助多位 HPC 和数据中心客户顺利完成了流片。

这样的案例不胜枚举，随着芯粒技术的潜能逐步释放，相信 Arm 公司在这个领域的布局蓝图也会越来越大。