本文來自微信公眾號“半導(dǎo)體行業(yè)觀察”。
芯粒在汽車市場重新受到關(guān)注，不斷發(fā)展的電氣化和激烈的競爭迫使公司加快設(shè)計和生產(chǎn)計劃。
電氣化已經(jīng)點燃了一些最大、最知名的汽車制造商的熱情，面對非常短的市場窗口和不斷變化的需求，這些制造商正在努力保持競爭力。與過去不同的是，汽車制造商通常采用五到七年的設(shè)計周期，而當(dāng)今汽車的最新技術(shù)很可能在幾年內(nèi)就被認為過時了。如果他們跟不上，就會有一批全新的初創(chuàng)公司生產(chǎn)廉價汽車，這些汽車能夠像軟件更新一樣快速地更新或更改功能。
但軟件在速度、安全性和可靠性方面存在局限性，而定制硬件正是許多汽車制造商現(xiàn)在努力的方向。這就是芯粒的用武之地，現(xiàn)在的重點是如何在大型生態(tài)系統(tǒng)中建立足夠的互操作性，使之成為一個即插即用的市場。實現(xiàn)汽車芯?；ゲ僮餍缘年P(guān)鍵因素包括標準化、互連技術(shù)、通信協(xié)議、電源和熱管理、安全性、測試和生態(tài)系統(tǒng)協(xié)作。
與板級的非汽車應(yīng)用類似，許多設(shè)計工作都集中在芯片到芯片的方法上，這推動了許多新穎的設(shè)計考慮和權(quán)衡。在芯片級，由于設(shè)計性能要求的提高，各種處理器、芯片、存儲器和I/O之間的互連變得越來越復(fù)雜，從而引發(fā)了一系列標準活動。人們提出了不同的互連和接口類型來滿足不同的目的，而用于專用功能（處理器、存儲器和I/O等）的新興芯粒技術(shù)正在改變芯片設(shè)計的方法。
“汽車原始設(shè)備制造商認識到，要控制自己的命運，他們就必須控制自己的SoC，”西門子EDA虛擬和混合系統(tǒng)副總裁David Fritz表示。“然而，他們不明白自1982年上大學(xué)以來EDA已經(jīng)走了多遠。此外，他們認為他們需要進入最新的工藝節(jié)點，其中一套掩模組將花費1億美元。他們負擔(dān)不起。他們也無法獲得人才，因為人才庫相當(dāng)小。所有這些加在一起，原始設(shè)備制造商認識到，要控制自己的命運，他們需要一種由其他人開發(fā)的技術(shù)，但可以根據(jù)需要進行組合，以擁有獨特的差異化產(chǎn)品，他們相信至少對一些人來說是面向未來的模型年。然后它在經(jīng)濟上變得可行。唯一符合要求的是芯粒。”
芯粒可以針對特定功能進行優(yōu)化，這可以幫助汽車制造商利用已在多種車輛設(shè)計中得到驗證的技術(shù)滿足可靠性、安全性和安保要求。此外，它們還可以縮短上市時間并最終降低不同特性和功能的成本。
過去十年來，對芯片的需求一直在增長。根據(jù)Allied Market Research的數(shù)據(jù)，全球汽車芯片需求將從2021年的498億美元增長到2031年的1213億美元。這種增長將吸引更多的汽車芯片創(chuàng)新和投資，而芯粒預(yù)計將成為一大受益者。
但芯粒市場的成熟還需要一段時間，并且可能會分階段推出。最初，供應(yīng)商將提供不同風(fēng)格的專有模具。然后，合作伙伴將共同努力提供芯粒以相互支持，就像一些供應(yīng)商已經(jīng)發(fā)生的那樣。最后階段將是普遍可互操作的芯粒，由UCIe或其他互連方案支持。
勢頭正在增強
從積極的一面來看，并非所有這一切都是從頭開始的。在板級，模塊和子系統(tǒng)始終使用板載芯片到芯片接口，并將繼續(xù)這樣做。各種芯片和IP提供商（包括Cadence、Diode、Microchip、NXP、Renesas、Rambus、Infineon、Arm和Synopsys）提供現(xiàn)成的接口芯片或IP來創(chuàng)建接口芯片。
通用Chiplet Interconnect Express(UCIe)聯(lián)盟是芯片到芯片開放互連標準背后的驅(qū)動力。該組織于2023年8月發(fā)布了最新的UCIe 1.1規(guī)范。董事會成員包括阿里巴巴、AMD、Arm、ASE、Google Cloud、英特爾、Meta、微軟、NVIDIA、高通、三星等。行業(yè)合作伙伴表現(xiàn)出廣泛的支持。AIB和Bunch of Wires(BoW)也已被提出。此外，Arm剛剛發(fā)布了自己的Chiplet系統(tǒng)架構(gòu)，以及更新的AMBA規(guī)范，以標準化Chiplet協(xié)議。
Cadence設(shè)計IP高級產(chǎn)品營銷組總監(jiān)Arif Khan表示：“在必要性的推動下，Chiplet已經(jīng)出現(xiàn)了。”“不斷增長的處理器和SoC尺寸正在達到標線極限和規(guī)模不經(jīng)濟。工藝技術(shù)進步帶來的增量收益低于每個晶體管和設(shè)計成本的上升。封裝技術(shù)（2.5D/3D）和芯片間接口標準化（例如UCIe）的進步將促進芯粒的開發(fā)。”
如今使用的幾乎所有芯粒都是由英特爾、AMD和Marvell等大型芯片制造商內(nèi)部開發(fā)的，因為他們可以嚴格控制這些芯粒的特性和行為。但各個層面都在開展工作，向更多參與者開放這個市場。當(dāng)這種情況發(fā)生時，較小的公司可以開始利用備受矚目的開拓者迄今為止所取得的成就，并圍繞這些發(fā)展進行創(chuàng)新。
Arteris高級戰(zhàn)略營銷總監(jiān)Guillaume Boillet表示：“我們許多人相信，擁有現(xiàn)成的、可互操作的芯粒組合的夢想可能需要數(shù)年時間才能成為現(xiàn)實。”他補充說，互操作性將來自于合作伙伴群體，他們正在解決規(guī)范不完整的風(fēng)險。
這也提高了FPGA和eFPGA的吸引力，它們可以為現(xiàn)場硬件提供一定程度的定制和更新。“Chiplet是真實存在的，”Flex Logix首席執(zhí)行官Geoff Tate說道。“目前，一家制造兩個或更多芯粒的公司比一家制造幾乎沒有良率的接近光罩尺寸芯片的公司更經(jīng)濟。Chiplet標準化似乎還很遙遠。甚至UCIe還沒有一個固定的標準。并非所有人都同意UCIe、裸片測試以及當(dāng)集成封裝無法工作時誰負責(zé)問題等。我們確實有一些客戶使用或正在評估eFPGA的接口，這些接口的標準不斷變化，例如UCIe。他們現(xiàn)在就可以實現(xiàn)芯片，并使用eFPGA來適應(yīng)以后的標準變化。”
還有其他支持芯粒的努力，盡管出于一些不同的原因——尤其是設(shè)備擴展成本的上升以及需要將更多功能集成到芯片中，而芯片在最先進的節(jié)點上受到標線的限制。但這些努力也為汽車領(lǐng)域的芯粒鋪平了道路，并且有強大的行業(yè)支持來實現(xiàn)這一切。例如，在SEMI、ASME和三個IEEE協(xié)會的贊助下，新的異構(gòu)集成路線圖(HIR)著眼于各種微電子設(shè)計、材料和封裝問題，為半導(dǎo)體行業(yè)制定路線圖。他們當(dāng)前的重點包括2.5D、3D-IC、晶圓級封裝、集成光子學(xué)、MEMS和傳感器以及系統(tǒng)級封裝(SiP)、航空航天、汽車等。
在最近舉行的2023年異構(gòu)集成全球峰會上，來自AMD、應(yīng)用材料、日月光、泛林集團、聯(lián)發(fā)科、美光、Onto Innovation、臺積電等公司的代表都展示了對Chiplet的大力支持。另一個支持Chiplet的組織是Chiplet Design Exchange(CDX)工作組，它是開放域特定架構(gòu)(ODSA)和開放計算項目基金會(OCP)的一部分。Chiplet Design Exchange(CDX)章程重點關(guān)注Chiplet和Chiplet集成的各種特性，包括2.5D堆疊和3D集成電路(3D-IC)的電氣、機械和熱設(shè)計交換標準。其代表包括Ansys、Applied Materials、Arm、Ayar Labs、Broadcom、Cadence、Intel、Macom、Marvell、Microsemi、NXP、Siemens EDA、Synopsys等。
“汽車公司對每個芯粒功能的要求仍處于劇變狀態(tài)，”西門子的Fritz指出。“一個極端有這些問題，另一個極端也有這些問題。這是最甜蜜的地方。這就是所需要的。這些是可以開展此類工作的公司類型，然后你可以將它們組合在一起。那么這個互操作性的事情就沒什么大不了的了。OEM可能會說“我必須處理所有可能性”，從而使事情變得過于復(fù)雜。另一種選擇是，他們可能會說，‘這就像高速PCIe一樣。如果我想從一個人到另一個人進行溝通，我已經(jīng)知道該怎么做。我有運行我的操作系統(tǒng)的驅(qū)動程序。這將解決很多問題，我相信這就是最終的結(jié)果。”
通用芯粒開發(fā)的一種途徑？
展望未來，芯粒將成為汽車和芯片行業(yè)的焦點，這將涉及從芯粒IP到內(nèi)存互連以及定制選項和限制的一切。
例如，瑞薩電子于2023年11月宣布了其下一代SoC和MCU的計劃。該公司瞄準了汽車數(shù)字領(lǐng)域的所有主要應(yīng)用，包括有關(guān)其第五代R-Car SoC的最新信息，該SoC面向高性能應(yīng)用，采用先進的封裝內(nèi)芯粒集成技術(shù)，旨在為汽車工程師提供更大的定制靈活性他們的設(shè)計。
瑞薩指出，如果高級駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）需要更高的人工智能性能，工程師將能夠?qū)⑷斯ぶ悄芗铀倨骷傻絾蝹€芯片中。該公司表示，這一路線圖是在與一級和OEM客戶多年的合作和討論之后制定的，這些客戶一直呼吁找到一種在不影響質(zhì)量的情況下加速開發(fā)的方法，包括在硬件可用之前就設(shè)計和驗證軟件。
“由于對增加按需計算的需求不斷增長，以及對未來汽車更高水平自主性的需求不斷增長，我們看到了未來幾年單片解決方案擴展和滿足市場性能需求方面的挑戰(zhàn)，”瑞薩電子SoC業(yè)務(wù)與戰(zhàn)略高級總監(jiān)Vasanth Waran說。“Chiplet使計算解決方案能夠擴展并超越市場需求。”他指出
瑞薩電子宣布計劃從2025年開始創(chuàng)建專門針對汽車市場的基于芯粒的產(chǎn)品系列。
標準接口允許SoC定制
目前尚不完全清楚標準處理器（這是當(dāng)今使用大多數(shù)芯粒的地方）與為汽車應(yīng)用開發(fā)的芯粒之間會有多少重疊。但隨著這項技術(shù)轉(zhuǎn)移到新市場，基礎(chǔ)技術(shù)和發(fā)展肯定會相互促進。
Synopsys IP加速解決方案組高級產(chǎn)品經(jīng)理David Ridgeway表示：“無論是AI加速器還是ADAS汽車應(yīng)用，客戶都需要標準接口IP塊。”“圍繞IP定制要求提供經(jīng)過充分驗證的IP子系統(tǒng)以支持客戶SoC中使用的子系統(tǒng)組件非常重要。當(dāng)我說定制時，您可能沒有意識到在過去10到20年的時間里，在PHY端和控制器端，可定制的IP已經(jīng)變得多么可定制。例如，PCI Express已經(jīng)從PCIe Gen 3發(fā)展到Gen 4，再到Gen 5，現(xiàn)在又發(fā)展到Gen 6?？刂破骺膳渲脼橹С指℃溌穼挾鹊亩喾N分叉模式，包括1個x16、2個x8或4個x4。我們的子系統(tǒng)IP團隊與客戶合作，確保滿足所有定制要求。
對于人工智能應(yīng)用，信號和電源完整性對于滿足其性能要求極其重要。幾乎我們所有的客戶都在尋求挑戰(zhàn)極限，以實現(xiàn)盡可能最高的內(nèi)存帶寬速度，以便他們的TPU每秒可以處理更多的事務(wù)。每當(dāng)應(yīng)用程序是云計算或人工智能時，客戶都希望獲得最快的響應(yīng)速度。”
進入最后階段將是最困難的，并且需要進行重大改變。為了確?；ゲ僮餍?，汽車生態(tài)系統(tǒng)和供應(yīng)鏈中足夠多的部分必須聚集在一起，包括硬件和軟件開發(fā)商、代工廠、OSAT以及材料和設(shè)備供應(yīng)商。
圖1：包括處理器、數(shù)字、PHY和驗證的IP模塊可幫助開發(fā)人員實現(xiàn)整個SoC
優(yōu)化PPA的最終目標是提高效率，這使得芯粒在汽車應(yīng)用中特別有吸引力。當(dāng)UCIe成熟時，預(yù)計整體性能將呈指數(shù)級提升。例如，UCIe在標準封裝中可以提供28至224 GB/s/mm的海岸線帶寬（shoreline bandwidth），在高級封裝中可以提供165至1317 GB/s/mm的海岸線帶寬。這意味著性能提高了20至100倍。將延遲從20納秒降低到2納秒代表著10倍的改進。另一個優(yōu)點是功率效率提高了約10倍，分別為0.5 pJ/b（標準封裝）和0.25 pJ/b（高級封裝）。關(guān)鍵是盡可能縮短接口距離。
為了優(yōu)化芯粒設(shè)計，UCIe聯(lián)盟提供了一些建議：
●仔細規(guī)劃考慮架構(gòu)切割線（即芯粒邊界），優(yōu)化功耗、延遲、硅面積和IP重用。例如，定制一個需要前沿工藝節(jié)點的芯粒，同時在舊節(jié)點上重復(fù)使用其他芯?？赡軙绊懗杀竞蜁r間；
●需要針對封裝熱封套、熱點、芯粒布局以及I/O布線和分線規(guī)劃熱和機械封裝約束；
●需要仔細選擇工藝節(jié)點，特別是在相關(guān)的電力傳輸方案的背景下；
●需要預(yù)先制定芯粒和封裝/組裝部件的測試策略，以確保在芯粒級測試階段發(fā)現(xiàn)硅問題，而不是在將它們組裝到封裝中之后；
結(jié)論
標準化芯片間接口的想法正在迅速流行，但實現(xiàn)這一目標的道路需要時間、精力以及很少相互交流的公司之間的大量協(xié)作。制造一輛汽車需要一個確定的汽車制造商。使用芯粒構(gòu)建車輛需要整個生態(tài)系統(tǒng)，其中包括開發(fā)商、代工廠、OSAT以及材料和設(shè)備供應(yīng)商的共同合作。
汽車原始設(shè)備制造商是整合系統(tǒng)和尋找創(chuàng)新方法來削減成本的專家。但仍有待觀察的是，他們能夠如何快速、有效地構(gòu)建和利用可互操作芯粒生態(tài)系統(tǒng)，以縮短設(shè)計周期、改善定制化，并適應(yīng)前沿技術(shù)在完全設(shè)計和測試時可能已經(jīng)過時的世界，并提供給消費者。
