深度丨续命摩尔定律，小芯片时代来临！

前言：

极小尺寸下，芯片物理瓶颈越来越难以克服，但每到关键时刻，总有新技术将看似走向终点的摩尔定律推一把，而小芯片正在将芯片性能进化引向更具经济效益的未来。

解决节点进化成本控制不住的问题

在近几年先进节点走向10nm、7nm、5nm，问题就不再只是物理障碍了，节点越进化，微缩成本越高，能扛住经济负担的设计公司越来越少。到了5nm节点，设计总成本已经飙高到逾5亿美元，相当于逾35亿人民币。

而守住摩尔定律，关乎利润最大化，如果研发和生产成本降不下来，那么对于芯片巨头和初创公司来说都将是糟糕的经济负担。

基于小芯片（Chiplet）的模块化设计，正是其中解决成本问题的一个极为关键的构想。小芯片也正成为AMD、英特尔、台积电、Marvell、Cadence等芯片巨头为摩尔定律续命的共同选择之一。

知名市场研究机构Omdia预测，小芯片将在2024年全球市场规模扩大到58亿美元，较2018年的6．45亿美元增长9倍。而长远来看，2035年小芯片市场规模有望增至570亿美元。

像搭积木一样的小芯片技术

传统系统单芯片做法是每一个组件放在单一裸晶上，造成功能越多，硅芯片尺寸越大。小芯片的做法是将大尺寸的多核心设计分散到个别微小裸芯片，比方处理器、模拟组件、存储器等，再用立体堆栈的方式，以封装技术做成一颗芯片，类似乐高积木概念。

小芯片技术，就是模块化，搭积木一样的芯片技术。将大的芯片分成N颗小的芯片，而这些小芯片可以单独运行，也可以通过一定的技术连接起来成为一个整体，共同运行。

如果在小芯片技术之下，这颗芯片或许可以分成CPU小芯片，GPU小芯片、NPU小芯片、Modem小芯片、DSP小芯片等等各种小颗芯片。

这种新型的小芯片设计方法，不仅能大大简化芯片设计复杂度，还能有效降低设计和生产成本。更重要的是，小芯片技术可以针对不同的模块进行工艺的调整。

独特优势加速市场延伸

①开发速度更快：在服务器等计算系统中，电源和性能由CPU核心和缓存支配。通过将内存与I／O接口组合到一个单片I／O芯片上，可减少内存与I／O间的瓶颈延迟，进而帮助提高性能。

②研发成本更低：因为小芯片是由不同的芯片模块组合而成，设计者可在特定设计部分选用最先进的技术，在其他部分选用更成熟、廉价的技术，从而节省整体成本。而采用更成熟制程的I／O模块有助于整体良率的提升，进一步降低晶圆代工成本。综合来看，CPU核心越多，小芯片组合的成本优势越明显。

③能灵活满足不同功能需求：随着小芯片的优势逐渐显露，它正被微处理器、SoC、GPU和可编程逻辑设备（PLD）等更先进和高度集成的半导体设备采用。

④市场延伸速度加倍：微处理器是小芯片最大的细分市场，支持小芯片的微处理器市场份额预计从2018年的4．52亿美元增长到2024年的24亿美元；计算领域将成为小芯片的主要应用市场，今年有望占据小芯片总收入的96％。

英特尔：Lakefield处理器与Foveros 3D封装技术

在ISSCC 2020上，英特尔在今年2月的SESSION 8中介绍了10nm与22FFL混合封装的Lakefield处理器，采用的是英特尔的Foveros 3D封装技术，封装尺寸为12 X 12 X 1毫米。Lakefield作为英特尔首款采用了Foveros技术的产品，能够在指甲大小的封装中取得性能、能效的优化平衡。

Foveros封装技术改变了以往将不同IP模块放置在同一2D平面上的做法，改为3D立体式堆叠。做个类比，传统的方式是将芯片设计为一张煎饼，而新的设计则是将芯片设计成1毫米厚的夹心蛋糕。这样可以提升灵活性，并且不需要整个芯片都采用最先进的工艺，成本也可以更低。

英特尔针对互联标准的挑战，首先提出了高级接口总线（Advanced Interface Bus，AIB）标准。在DARPA的CHIPS项目中，英特尔将AIB标准开放给项目中的企业使用。AIB是一种时钟转发并行数据传输机制，类似于DDR DRAM接口。

目前，英特尔免费提供AIB接口许可，以支持广泛的小芯片生态系统，包括设计方法或服务供应商、代工厂、封装厂和系统供应商。此举将加速AIB标准的快速普及，有望在未来成为类似ARM的AMBA总线的业界标准。