隨著芯片工藝逐步逼近物理極限，摩爾定律前進(jìn)的步伐正在放緩，進(jìn)一步發(fā)展需要新的思路。而異構(gòu)集成技術(shù)在降低芯片功耗、提升綜合性能、滿足用戶多種需求等方面具有極大優(yōu)勢(shì)，已引起越來越多主流廠商的高度重視。異構(gòu)集成正在成為后摩爾時(shí)代，延續(xù)半導(dǎo)體技術(shù)的主流發(fā)展方向。不過，異構(gòu)集成往往需要打破單一架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)多性能、多功能小芯片間的協(xié)同，以及不同性能、功能介質(zhì)間的緊密耦合，這對(duì)設(shè)計(jì)者與制造者來說，都將帶來一系列新的挑戰(zhàn)。如何不斷解決架構(gòu)、制造與封裝、軟件等不同層面出現(xiàn)的難題，將是未來企業(yè)能否搶占市場(chǎng)先機(jī)的重點(diǎn)。
延續(xù)摩爾定律異構(gòu)集成受重視
摩爾定律實(shí)際上已經(jīng)成為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的一面旗幟，但是人們必須擺脫離對(duì)工藝節(jié)點(diǎn)微縮的癡迷才能推動(dòng)半導(dǎo)體技術(shù)的持續(xù)演進(jìn)。對(duì)此，中國科學(xué)院院士毛軍發(fā)就指出，現(xiàn)在的半導(dǎo)體技術(shù)主要有兩條發(fā)展路線：延續(xù)摩爾定律和繞道摩爾定律。當(dāng)延續(xù)摩爾定律面臨一系列極限挑戰(zhàn)，包括物理原理極限、技術(shù)手段極限和經(jīng)濟(jì)成本極限等的時(shí)候，繞道摩爾定律就是一種可行的發(fā)展方式。而異質(zhì)集成電路就是繞道摩爾定律的重要途徑之一。
AMD全球高級(jí)副總裁、大中華區(qū)總裁潘曉明也表示，目前人們正處于數(shù)字經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展的時(shí)代，高性能計(jì)算、云計(jì)算和虛擬化、大數(shù)據(jù)分析等應(yīng)用快速發(fā)展。但這一系列的應(yīng)用場(chǎng)景也會(huì)給處理器帶來非常大的工作負(fù)載，需要強(qiáng)大算力的支撐。在半導(dǎo)體設(shè)計(jì)的黃金時(shí)代，人們可以通過工藝的進(jìn)步，降低每個(gè)晶體管的成本，同時(shí)得到性能的提升。然而現(xiàn)在每進(jìn)入一個(gè)新的節(jié)點(diǎn)，都需要更長的時(shí)間才能保證工藝的成熟和穩(wěn)定，新工藝的成本又在顯著增加。這就為人們帶來新的挑戰(zhàn)，需要探討在其他方面做出更多的創(chuàng)新，才能進(jìn)一步提升處理器性能和算力。異構(gòu)集成正在成為提升芯片算力的重要發(fā)展方向。
那么，什么是異構(gòu)集成呢?英特爾研究院副總裁、英特爾中國研究院院長宋繼強(qiáng)指出，異構(gòu)集成是將不同工藝架構(gòu)、不同指令集、不同功能的硬件組合成一個(gè)計(jì)算系統(tǒng)。同時(shí)，異構(gòu)集成也是芯片、封裝、系統(tǒng)、軟件的協(xié)同。它不是單一的技術(shù)點(diǎn)，而是多技術(shù)點(diǎn)的綜合，涉及器件、設(shè)計(jì)、軟件算法等的融合，以實(shí)現(xiàn)一個(gè)高效的異構(gòu)系統(tǒng)。
毛軍發(fā)指出，異構(gòu)集成的特點(diǎn)很突出。一是它可以融合不同半導(dǎo)體材料、工藝、結(jié)構(gòu)和元器件;二是采用系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念;三是應(yīng)用先進(jìn)技術(shù)比如IP和小芯片(Chiplet)，具有2.5維或3維高密度結(jié)構(gòu)。因而使得異構(gòu)集成芯片可以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大且復(fù)雜的功能，突破單一半導(dǎo)體工藝的性能極限;同時(shí)具有靈活性強(qiáng)、可靠性高、研發(fā)周期短，可實(shí)現(xiàn)小型化、輕質(zhì)化等特點(diǎn)。
廠商紛紛投入新產(chǎn)品技術(shù)不斷涌現(xiàn)
正因?yàn)榫哂羞@些優(yōu)點(diǎn)，異構(gòu)集成已經(jīng)成為后摩爾時(shí)代，半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展的主要路線，越來越多主流廠商給予高度重視。今年的Computex(臺(tái)北電腦展)上，AMD就發(fā)布了一款實(shí)驗(yàn)性的產(chǎn)品Ryzen 5000，其采用臺(tái)積電的3D Fabric先進(jìn)封裝技術(shù)，成功地將包含有64MB L3 Cache的chiplet以3D堆疊的形式與處理器封裝在一起。據(jù)AMD的介紹，該技術(shù)可以提高超過2D芯片200倍的互聯(lián)密度，與現(xiàn)有的3D封裝解決方案相比，互聯(lián)密度也可達(dá)到15倍以上。
基于異構(gòu)集成技術(shù)的發(fā)展，英特爾則提出XPU的概念。宋繼強(qiáng)表示：“對(duì)于英特爾而言，我們推動(dòng)異構(gòu)計(jì)算的創(chuàng)新，就是通過對(duì)不同架構(gòu)XPU的異構(gòu)整合，和統(tǒng)一的跨架構(gòu)編程模型oneAPI實(shí)現(xiàn)軟硬協(xié)同，滿足更多工作負(fù)載，實(shí)現(xiàn)高能效比，幫助客戶降低成本并能快速根據(jù)需求給出解決方案。”在去年“架構(gòu)日”上，英特爾在EMIB(嵌入式多芯片互連橋接)2D封裝、Foveros 3D封裝，以及結(jié)合2D和3D的CO-EMIB技術(shù)基礎(chǔ)上，又推出了Hybrid Bonding(混合結(jié)合)技術(shù)。通過電氣連接獲得更高的載流能力，加速實(shí)現(xiàn)10微米及以下的凸點(diǎn)間距，為異構(gòu)介質(zhì)帶來更高的互連密度、帶寬和更低的功耗。
不僅僅是英特爾與AMD，國際芯片龍頭廠商包括英偉達(dá)、高通、賽靈思等都對(duì)異構(gòu)集成技術(shù)非常重視。國內(nèi)方面，紫光展銳、北京君正、中星微電子等企業(yè)也在積極展開對(duì)異構(gòu)集成的研究與開發(fā)，并推出相關(guān)產(chǎn)品與解決方案。紫光展銳新推出的唐古拉T770就集成了4核ARM A76、4核ARM A55、Mali-G57GPU以及基帶芯片等，是異構(gòu)集成的典型應(yīng)用。有觀點(diǎn)認(rèn)為，異構(gòu)集成已成為21世紀(jì)系統(tǒng)級(jí)芯片的主流技術(shù)，未來30年就是異構(gòu)集成的時(shí)代。
毛軍發(fā)指出，研究半導(dǎo)體異質(zhì)集成的科學(xué)意義也很顯著，可以通過集成電路從目前單一同質(zhì)工藝向多種異質(zhì)工藝集成方向發(fā)展，從目前二維平面集成向三維立集成方向發(fā)展，從而實(shí)現(xiàn)高性能的復(fù)雜系統(tǒng)。
應(yīng)對(duì)異質(zhì)挑戰(zhàn)需拋棄傳統(tǒng)“路”的思維
盡管異構(gòu)集成的發(fā)展前景十分廣闊，但是想要真正實(shí)現(xiàn)起來也并非易事。毛軍發(fā)就強(qiáng)調(diào)指出，由于不同性能、功能的介質(zhì)緊密耦合，往往相互矛盾，因此異質(zhì)電路設(shè)計(jì)時(shí)要解決電磁-熱-應(yīng)力，多物理協(xié)同設(shè)計(jì)，以及有源/無源電路/天線及數(shù)字/模擬電路的多功能協(xié)同設(shè)計(jì)問題。在工藝制造方面，異質(zhì)集成工藝參數(shù)調(diào)整也會(huì)受制于電、熱、應(yīng)力多物理場(chǎng)特性的影響，必須認(rèn)識(shí)其內(nèi)在關(guān)系，掌握工藝量化設(shè)計(jì)與優(yōu)化機(jī)理。
宋繼強(qiáng)也認(rèn)為，異構(gòu)集成不僅是在硬件方面，需要打破單一架構(gòu)，多架構(gòu)融合的XPU架構(gòu)將會(huì)成為主流。XPU架構(gòu)的誕生，對(duì)軟件提出了更高的要求，因?yàn)槟軌蛲瑫r(shí)掌握多種架構(gòu)編程語言的開發(fā)人員鳳毛麟角，而軟件是釋放硬件性能的關(guān)鍵一環(huán)，能夠跨架構(gòu)編程的軟件模型以及可以提升編程效率的工具就顯得極為重要。
英特爾曾提出六大技術(shù)支柱，對(duì)XPU的實(shí)現(xiàn)起到了關(guān)鍵作用，包括制程、架構(gòu)、內(nèi)存、互連、安全和軟件。異構(gòu)計(jì)算雖然看似一個(gè)硬件層級(jí)的內(nèi)容，但要釋放其能力，就需要芯片、系統(tǒng)、軟件三層一體化考量，才能夠發(fā)揮作用。一是芯片層，指在芯片封裝內(nèi)的異構(gòu)，和“小芯片”概念緊密相聯(lián);二是系統(tǒng)層，指多功能多架構(gòu)的計(jì)算架構(gòu)進(jìn)行整合;三是軟件層，統(tǒng)一的跨架構(gòu)編程模型oneAPI可以通過一套軟件接口、一套功能庫為開發(fā)者提供不同架構(gòu)上的一些編程的便利性。
面對(duì)異構(gòu)集成的發(fā)展，毛軍發(fā)提出了總體研究思路，即打破集成電路傳統(tǒng)“路”的思維，以耦合多物理場(chǎng)理論為基礎(chǔ)，以形成異構(gòu)集成能力為牽引，場(chǎng)、路結(jié)合，統(tǒng)領(lǐng)半導(dǎo)體異構(gòu)集成電路的研究。
總之，隨著半導(dǎo)體進(jìn)入后摩爾時(shí)代，異構(gòu)集成的發(fā)展才剛剛起步，未來仍有廣闊的發(fā)展空間。異構(gòu)計(jì)算也將成為激發(fā)半導(dǎo)體技術(shù)不斷創(chuàng)新的一大動(dòng)力。
