第6期 2019/06/28
小芯片生態(tài)系統(tǒng)正逐步迎來融合
開放式芯片生態(tài)系統(tǒng)正在逐步發(fā)展當(dāng)中漸漸迎來融合，如今在系統(tǒng)級封裝（SiP）當(dāng)中對多家供應(yīng)商的芯片組進(jìn)行異構(gòu)集成已經(jīng)不再只是空談。
小芯片的出現(xiàn)，代表著芯片行業(yè)通過暴力擴(kuò)展彌補(bǔ)性能增量不足的一類重要嘗試；而這一切都與重要的時(shí)代背景分不開，即摩爾定律的放緩。雖然包括英特爾、Marvell以及初創(chuàng)企業(yè)zGlue在內(nèi)的各家芯片公司，外加思科等系統(tǒng)廠商都在創(chuàng)建自有芯片生態(tài)系統(tǒng)領(lǐng)域取得了一定的成功，但迄今為止的所有努力仍然高度信號于專有型多芯片接口。
要想開發(fā)一套完整的全行業(yè)開放式小芯片生態(tài)系統(tǒng)，從而幫助設(shè)計(jì)人員將來自多家供應(yīng)商的“同類最佳”芯片組件封裝于一處，不僅需要首先建立起標(biāo)準(zhǔn)化開放接口，同時(shí)也要求我們在晶圓測試、發(fā)熱管理以及新型商業(yè)模式等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)技術(shù)進(jìn)步。
在上周召開的開放領(lǐng)域特定架構(gòu)（ODSA）小組第二次研討會上，我們看到了開放小芯片生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定進(jìn)展——雖然緩慢，但確實(shí)有所推進(jìn)。該組織聲稱，目前已經(jīng)有約70家成員企業(yè)正在努力為小芯片定義基于沁芯片設(shè)計(jì)的開放接口，同時(shí)亦努力建立與該堆棧相匹配的互操作小芯片市場。ODSA目前正在開放計(jì)算項(xiàng)目框架之下運(yùn)行。
根據(jù)英特爾公司高級首席工程師兼英特爾CTO辦公室制程與產(chǎn)品集成總監(jiān)Ramune Nagisetty的介紹，芯片組的市場需求基于新興工作負(fù)載的出現(xiàn)，同時(shí)亦與架構(gòu)及封裝技術(shù)的進(jìn)步密不可分。
英特爾公司高級首席工程師兼制程與產(chǎn)品集成總監(jiān)Ramune Nagisetty在上周的ODSA研討會上主持了小組討論。
Nagisetty表示，“目前行業(yè)已經(jīng)發(fā)展至拐點(diǎn)。我們有機(jī)會通過芯片領(lǐng)域的創(chuàng)新繼續(xù)實(shí)現(xiàn)對封裝集成的擴(kuò)展。”
一年之前，英特爾公司為其EMIB發(fā)布了AIB協(xié)議，此項(xiàng)工作屬于DARPA小芯片研究計(jì)劃中的一部分。在上周的ODSA研討會上，英特爾方面還推出了PHY Interface for PCI Express（PIPE）的5.2版本。其屬于PCI Express接口的精簡版本，據(jù)稱能夠?qū)崿F(xiàn)可配置的短距離PHY。
與此同時(shí)，OSDA小組還繼續(xù)努力推進(jìn)自己的開放式線束（BOW）物理層接口。在ODSA研討會上，Netronome工程師兼ODSA工作小組負(fù)責(zé)人Bapi Vinnakota積極呼吁各代工廠與芯片廠商對BOW接口提供支持；同時(shí)亦公布了一個(gè)新的小芯片設(shè)計(jì)交流項(xiàng)目，幫助各企業(yè)得以制定通常通過zGlue數(shù)據(jù)交換格式以機(jī)器可讀形式保密的開放式小芯片物理描述。
Vinnakota指出，“對于我們這樣一個(gè)開放組織，共享保密信息往往非常困難。”
BOW接口最初于今年3月的ODSA第一次研討會上提出。BOW的基本思路在于提供一個(gè)通用且簡單的并行接口，以相對較低的數(shù)據(jù)速率運(yùn)行，以便將舊有節(jié)點(diǎn)中的芯片集成至新系統(tǒng)當(dāng)中——例如關(guān)鍵性RF高級組件SiP。
雖然發(fā)展當(dāng)中當(dāng)然出現(xiàn)不少難題，但ODSA方面確實(shí)在開發(fā)開放式小芯片生態(tài)系統(tǒng)方面取得了穩(wěn)步進(jìn)展。根據(jù)Nagisetty的介紹，從外部看起來這些令人痛苦的緩慢進(jìn)展，實(shí)際上體現(xiàn)的是其它主要技術(shù)也曾經(jīng)經(jīng)歷過的“黎明前的黑暗”。這些發(fā)展曲線會緩慢地聚集在一起，而后逐步表現(xiàn)出穩(wěn)定的發(fā)展加速度。
Nagisetty在接受采訪時(shí)表示，“我認(rèn)為在未來三到五年時(shí)間內(nèi)，我們將會以一種截然不同的方式看待所有事情。進(jìn)展已經(jīng)出現(xiàn)，雖然發(fā)展速度緩慢，但其步伐將會不斷加快。隨著各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范以及工具的逐漸落實(shí)，變化的速度也將有所增加。我認(rèn)為在三到五年的未來時(shí)間框架之內(nèi)，這種基于小芯片的設(shè)計(jì)將越來越多地成為一種規(guī)則，而非特殊情況。”
不少小芯片設(shè)計(jì)支持者經(jīng)常提到的成功成本節(jié)約案例，正是AMD公司即將推出的7納米Epyc CPU。其中包含多達(dá)8個(gè)7納米級處理器芯片，并通過AMD的Infinity架構(gòu)連接至同一14納米I/O芯片帶內(nèi)存控制器。該方案是對14納米、單封裝四晶片版本Epyc的擴(kuò)展。
AMD公司研究人員Gabriel Loh在出現(xiàn)本屆ODSA研討會時(shí)表示，“對我們來說，小芯片具有真實(shí)可信的發(fā)展前景。我們已經(jīng)構(gòu)建起相關(guān)實(shí)際成果，其基本思路是在芯片之上將采用不同技術(shù)節(jié)點(diǎn)的組件集成起來。”
ODSA研討會上的小芯片設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)小組。左起至右分別為：eSilicon公司Carlos Macian、AMD公司Gabriel Loh、英特爾公司Dave Kehlet、思科公司Sanjeev Joshi以及賽靈思公司Sagheer Ahmad。
然而，雖然開放式小芯片生態(tài)系統(tǒng)在概念上確有可行性，也已經(jīng)獲得了一定進(jìn)展，但仍有不少批評者對此抱有懷疑，其發(fā)展道路也遠(yuǎn)非一馬平川。從技術(shù)角度來看，Nagisetty認(rèn)為開放式小芯片生態(tài)系統(tǒng)面臨的最大障礙在于測試——具體來講，即在封裝之前確保芯片運(yùn)作良好。這要求廠商對晶圓進(jìn)行非常全面地分類，并有能力探測到各間距極小的凸點(diǎn)。Nagisetty同時(shí)表示，第二大挑戰(zhàn)則在于由功率、功率密度以及熱串?dāng)_所引發(fā)的發(fā)熱難題。
不過從商業(yè)模式的角度來看，以上挑戰(zhàn)只能算是開胃小菜。目前，芯片行業(yè)已經(jīng)擁有與主板級組件相關(guān)的商業(yè)模式，以及與單片SoC相關(guān)的商業(yè)模式。Nagisetty表示，“但在將不同制造商的芯片加以結(jié)合方面，我們的商業(yè)模式探索之路只能算是剛剛起步。”
舉例來說，SiP設(shè)備使用誰的品牌？由誰負(fù)責(zé)市場營銷？另外，如果存在安全漏洞，又應(yīng)該由誰來承擔(dān)責(zé)任？
Loh問道，“如果產(chǎn)品出了問題，最后該由誰負(fù)責(zé)？”他指出，業(yè)內(nèi)已經(jīng)存在一些可以作為模型的解決方案，但“問題是：你要如何進(jìn)行擴(kuò)展？”
小組討論期間出現(xiàn)的另一個(gè)問題，在于成本堆疊。如果打算全部使用來自多家芯片廠商的“同類最佳”芯片組設(shè)備，那么如果各家廠商都希望在其業(yè)界領(lǐng)先的芯片身上賺取高額利潤，那么這些組件堆疊而成的產(chǎn)品將帶來難以承受的價(jià)格。
Nagisetty表示，“所有這些問題都得找到對應(yīng)的解決方案。所以從某種程度上講，我們在這條道路上才剛剛起步。我們學(xué)到了很多東西，我認(rèn)為這些經(jīng)驗(yàn)最終都會通過標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范的形式轉(zhuǎn)化為成果。”
Nagisetty指出，PHIPE規(guī)范源于英特爾的Kaby Lake G設(shè)計(jì)方案。該設(shè)計(jì)最終成就了一系列采用AMD Radeon集成圖形核心的英特爾酷睿處理器，這些處理器利用PCI Express與EMIB將多個(gè)采用不同技術(shù)節(jié)點(diǎn)與不同制程的小芯片互連起來。
Nagisetty指出，“在這一過程中，我們逐步了解到如何將那些原本為電路板所設(shè)計(jì)的組件整合起來，并共同納入封裝之內(nèi)。”
對于Kaby Lake架構(gòu)，英特爾公司的設(shè)計(jì)人員最終希望利用PCI Express將CPU與Radeon GPU對接起來。然而，PCI Express在設(shè)計(jì)上主要用于調(diào)整驅(qū)動長距離信號，而且由于功率太大而無法放置在封裝內(nèi)部。為此，英特爾公司的設(shè)計(jì)師們提出了一種接口調(diào)整方案，用以調(diào)整信號所需要的傳輸距離，從而將功率降低約50%，同時(shí)亦減少了過程當(dāng)中電源狀態(tài)切換所需要的時(shí)間。
PIPE V5.2支持短距離應(yīng)用
她表示，“我們當(dāng)然也有其它辦法下調(diào)功率，但如果我們能夠采用PCI Express接口并控制功率，那么將能夠以更低的成本創(chuàng)建更簡單的設(shè)計(jì)方案。”由此產(chǎn)生的PIPE規(guī)范不僅允許設(shè)計(jì)人員在單一封裝之內(nèi)將互連芯片的功耗降低至合理的水平，同時(shí)也能夠更靈活地設(shè)計(jì)過程后期再決定某些元件應(yīng)采用板極抑或是封裝級組件。
Nagisetty介紹稱，除了Kaby Lake G之外，英特爾的Stratix 10 FPGA架構(gòu)（通過多家代工廠在同一封裝之內(nèi)添加多個(gè)技術(shù)節(jié)點(diǎn)構(gòu)建而成的芯片）以及英特爾Lakefield制程（將多個(gè)技術(shù)節(jié)點(diǎn)整合至同一英特爾芯片封裝之內(nèi)）也讓芯片巨頭積累起對多來源芯片進(jìn)行串聯(lián)的重要見解與經(jīng)驗(yàn)。
她指出，“我們需要通過標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范建立起互操作性支持體系”，包括通過接口及材料規(guī)格確保在不同代工廠當(dāng)中使用多種不同的兼容性材料。
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