随着摩尔定律（Moore’s Law）的持续放缓导致新技术节点之间的时间增加，硅的制造成本飙升，登纳德缩放比例（Dennard scaling）结束，芯片供应商面临着重大挑战。摩尔定律的放缓使得在单个芯片上封装更多功能变得越来越困难。如果晶体管尺寸保持不变，更多的功能可以通过更大的芯片集成。然而，由于成本明显较高，较大的芯片是不理想的。不仅验证成本更高，密集封装逻辑中的制造缺陷会显著降低晶片产量，这意味着较高的制造成本。

在没有设备扩展的情况下，专业领域为架构师提供了一个交付更高性能和更高能效的机会。然而，考虑到特定计算功能的市场规模，开发定制硅片相关的高制造成本，以及非经常性工程的高成本，很难从财务上证明领域专业化的优势。最近，机器学习作为一个杀手级应用，为专业化提供了理由，但其他不太受欢迎的应用领域呢？好在小芯片式设计（chiplet-style）日益流行，这为实现针对不同领域和细分市场的定制解决方案提供了一条经济可行的途径。

什么是基于小芯片的系统？

基于小芯片的系统提出通过诸如多芯片模块或硅内插器（silicon interposer）的集成技术将多个分立芯片集成在同一封装内。图1显示了一个假设的基于小芯片的系统，由4个CPU小芯片和4个内存堆栈组成，通过硅内插器集成。英特尔、AMD和Xilinx等公司越来越多地采用基于小芯片的设计方法。

Xilinx是小芯片的早期采用者，在无源硅插入物上水平堆叠多个芯片。英特尔的Foveros采用3D方法将小芯片与硅片堆叠在一起，类似于有源插入器。近年来，AMD已经生产了几个作为MCM构建的小芯片设计。

图1: 假设的基于小芯片的系统，具有4个CPU小芯片和4个内存堆栈。

使用小芯片有什么好处？

当前的小芯片架构提供了许多优点，使得它们的构建具有吸引力。这些包括成本、灵活性和可持续性。

(1) 成本

传统上，将设计制造成单个单芯片更便宜——需要组装的部件更少，并且没有与芯片间通信相关的面积开销。对于小芯片，我们重新引入多个部件，并要求一些硅区域专用于小芯片之间的通信。然而，成本降低可以归因于制造产量的提高和工程成本的降低。较小的芯片制造成本较低。导致大管芯不可操作的制造缺陷导致比小管芯更低的成品率。由于在大的晶圆片上安装更多的小管芯，成本也降低了。

单片设计要求在同一工艺技术中实现片上系统(SoC)的所有功能。然而，并非SoC中的所有功能都将受益于尖端技术工艺。例如，与数字逻辑和SRAM相比，I/O和模拟组件在移至更小的节点时会获得更低的缩小系数。强迫所有组件进入相同的高级处理节点会导致重新设计和验证这些设计的额外成本。允许一些组件保留在较旧的流程中有助于设计重用，并且如果迁移没有带来可衡量的性能或能效优势，则可以避免这些额外的成本。

(2) 灵活性

小而简单的小芯片可以更容易地在不同的细分市场中重新利用。从手机到台式机再到服务器，可能只需要增加封装中集成的小芯片数量。这种细分市场之间的轻松移动最终转化为额外的成本节约。小芯片还在克服网线限制方面提供了灵活性——通过集成更多小芯片，可以构建更大的系统，而不是使用单片硅。

(3) 可持续性

随着气候变化的影响越来越令人担忧，提高计算机系统的可持续性需要新的创新和方法。在MICRO 2020主题演讲中，Bobbie Manne强调了与小芯片相关的改善的可持续性。如上所述，SoC中的一些小芯片将保留在较旧的工艺技术中。随着工艺技术的成熟，制造过程本身变得更加高效。从碳排放的角度来看，最好是继续用旧工艺制造芯片，而不是过渡到前沿节点。基于小芯片的系统可能有助于通过利用这种提高的制造效率来推动更可持续的计算解决方案。

一些关键挑战

为了使小芯片解决方案可行，小芯片之间的通信成本需要类似于单片系统内的通信成本。理想情况下，从通信的角度来看，从单片设计转向小芯片设计应该对用户完全隐藏；实际上，可能需要更改软件来管理不一致的通信延迟。通过内插器或封装基板，带宽和等待时间可能受到更大的限制；必须处理时钟交叉问题。

迄今为止，小芯片设计主要来自AMD等单一供应商的全堆栈设计。当前的单一供应商小芯片解决方案允许一家公司定制系统的所有方面，以最大化性能并降低功耗。然而，未来的小芯片可根据客户需求，通过混合和匹配来自不同供应商的小芯片IP来，实现定制系统的设计。为了实现定制系统的愿景，我们必须摆脱专有互连结构，开放结构和接口将支持跨多个供应商的集成。

为此，开放计算项目（Open Compute Project）设立了一个开放域特定架构分会（Open Domain Specific Architecture）。作为这项工作的一部分，他们正在探索必要的标准，以促进将来自一系列供应商的小芯片IP集成到单个定制系统中，包括小芯片之间的接口和不同IP之间通信的协议栈。DARPA通用异构集成和知识产权(IP)重用策略(CHIPS)计划也支持这一愿景。

更小的小芯片设计和制造成本更低，这将降低更广泛的特定领域加速器的准入门槛。此外，将小块定制芯片集成到不同技术节点的能力，将使供应商开发特定领域的IP解决方案更加经济。

为了实现多厂商小芯片系统，模块化必须成为一个关键目标。每个供应商都应该能够为目标工作负载定制他们的IP，并允许无缝集成，而无需系统在路由、互连拓扑等方面实施太多规则。必须设计在不牺牲性能的情况下适应各种尺寸和配置的小芯片的柔性互连。

小芯片为架构创新提供了许多令人兴奋的机会，并提供了超越摩尔定律限制的扩展系统的机会。

参考链接：https://www.sigarch.org/chiplet-based-systems/

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