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Porsche Engineering闡述晶片隨心組合的未來趨勢

CarStuff 人車事 2023-08-15 08:17:24

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Written by: Bear

未來的晶片將由多個更小的單元構成。這些「小晶元」(Chiplets)有望在生產中提升良率，並讓系統配置更加靈活。汽車行業也可以從這一發展趨勢中受益，因為高度自動化乃至自主駕駛功能需要既強大又靈活的解決方案。在未來幾十年裡，半導體晶元上的晶體管數量將呈指數級增長：戈登·摩爾(Gordon Moore)於1965年在《Electronics》雜誌上發表了這一著名預測，稱為摩爾定律。他後來成為了英特爾公司的聯合創始人。不過，人們對他同一篇文章中另一句話的關注要少得多：透過單獨封裝、彼此互聯的較小功能建立大型系統可能更為經濟。

現在，這一想法受到了世界各地研究人員和半導體製造商的大力推崇。他們希望將日益複雜的晶元中的眾多功能分配給較小的積體電路(IC)，並將眾多積體電路聯接成網路，合力實現預期功能。

專家們將這種微型積體電路命名為「小晶元」(Chiplet)，它們可以像積木一樣搭接起來，構成完整系統。它們可以接管完整系統的各項子功能，例如：作為中央處理器(CPU)、圖形處理器(GPU)、記憶體、與外界的數位介面，或者Wi-Fi發射器和接收器。

晶片尺寸的趨勢反轉

直到最近為止，晶元的發展趨勢一直與此完全相反：過去幾十年來，半導體製造商在一塊半導體晶片「裸片」上集成了越來越多的功能，形成了高度複雜的片上系統(SoC，Systems-on-a-chip)，這正是摩爾定律使之成為可能。然而，這一增長趨勢現在已接近極限，因為隨著晶元面積的增加，出現缺陷的概率也在提高，從而導致合格晶元的產量良率急劇下降。因此，生產規模極大的SoC難以保證經濟效益，如果採用投資成本巨大、良率本身就較低的最新製造過程就更是如此。

柏林弗勞恩霍夫可靠性和微集成研究所(IZM，Fraunhofer Institute for Reliability and Microintegration)晶圓級系統集成部門主管邁克爾·席弗博士(Dr.Michael Schifer)說，「因此，業界在大約15年前就開始尋找新的方法。近幾年來，小晶元話題備受關注和熱議，因為小晶元互聯所需的技術已經出現，也因為半導體製造商在廢品成本方面已經達到了可接受的極限。小晶元是一種很有希望的解決方案：如果將一個SoC的功能分配到較小的單元上，就能讓IC的良率重新開始提升。」

此外，小晶元還有許多其他優勢。如果每個小晶元專門負責一項單一的功能，就可以採用最合適的技術來生產，例如：對於強大的CPU和GPU晶片來說，可以採用最先進的製造過程和最小的晶體管，而用於數位介面的簡單晶片則可以採用較老但更便宜的製造過程來生產。

而這也適用於所使用的原材料：矽適合製造CPU和GPU裸片，砷化鎵、鎘矽或碳化矽是高頻晶片和功率晶片的理想之選，磷化銦則是光電元件的最佳選擇。這可以最大限度地提高單個小晶元的性能和效率。然而，這些專用微型晶元必須彼此互聯，才能形成完整系統。

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這通常就需要將小晶元放置在「矽仲介層」(Silicon interposer)上來實現互聯。矽仲介層可以是一塊薄薄的矽板，其中只有銅線，以實現晶元間的電氣連接。或者，矽中介層本身就包含一套電路，可以主動傳遞小晶元的信號，從而大大減少延遲時間。席弗博士解釋說，「不過，也可以考慮採用玻璃或有機物質作為中介層材料，其中玻璃比較適合高頻應用。但它們在結構尺寸方面無法與矽仲介層相提並論。」

不過，只有當可以輕鬆地將不同製造商的多個元件組合成一套完整的系統時，小晶元的構想才能充分發揮其優勢。未來，「通用小晶元高速互連」(UCIe)通信標準有望實現這一願景。這一標準與「週邊元件高速互連」(PCIe)標準相似，如今後者已是各種外圍設備(例如：硬碟或顯卡)與PC中的處理器晶片組互聯的基礎。

UCIe得到了眾多晶片開發商和IT公司的支援，比如AMD、ARM、英特爾、Google Cloud、Meta、微軟、高通和三星，以及全球最大的半導體合同製造商台灣的台積電。此外，開放計算專案(OPC)也提出了「電線束」(Bunch of Wires，簡稱BoW)標準。OPC的成員包括Google、Meta和微軟等大數據中心運營商。

適用於車輛的小晶元標準

「這兩種標準都是為交換非常大量的數據而設計的。」德累斯頓弗勞恩霍夫積體電路研究所(IIS)系統集成組的組長安迪·海尼希(Andy Heinig)說，「然而，對於汽車應用來說，業界還需要額外的類比介面，才能例如：採用不同的小晶元組裝成一個雷達。」IIS 的研究人員與整車製造商和供應商攜手合作，希望開發一套為汽車量身定製的標準。

儘管暫時缺乏統一標準，但海尼希確信，晶元將在未來的車輛中發揮重要作用，並表示，「對於對計算能力要求極高的自動駕駛來說尤其如此，不過具體需求在很大程度上取決於希望達到的自動化水準。未來，原始設備製造商可以採用小晶元方案，為個別車型或不同配置的車型配置最理想的電子元器件。」而這種可擴展的模組化系統也與汽車製造商的平台理念完美契合。

不來梅大學(University of Bremen)通信電子組的組長史蒂芬·保羅(Stefen Paul)教授正與工業和學術專案夥伴密切合作，研究這種基於小晶元的車輛系統的前景。他也強調說，「採用小晶元可以讓系統配置靈活地適應車輛需求。」

他的團隊以一套用於自動駕駛的77 GHz雷達為例充分展示了這一點。類比部分被分為多個小晶元(振蕩器和發射器/接收器)，安置在矽仲介層上。根據所需的天線數量，系統中集成了兩個或四個發射器/接收器小晶元。用於信號處理的數位部分可由多達8個小晶片組成，具體取決於所用評估演算法的複雜程度。

除了透過不同計算模組的組合獲得更大的靈活性之外，保羅還看到了小晶元方案的另一大優勢：更好地保護智慧財產權。他解釋說，「將功能劃分為較小的單元，可以讓競爭對手更難推測出整套系統的運作方式。此外，還可以在一個小晶元上單獨開發加密等關鍵功能，也就是將開發工作限制在一個高度安全的部分，完全獨立於其他邏輯的開發工作。」

未來的關鍵要素

技術諮詢公司Yole Intelligence計算和軟體首席分析師湯姆·哈肯伯格(Tom Hackenberg)表示，「目前，小晶元主要用於數據中心、行動裝置、網路和記憶體等市場。然而，隨著強大的異構處理器逐漸開始應用於駕駛輔助系統，小晶元也成為了未來汽車電子系統的關鍵要素之一。因此，許多汽車晶元製造商大力支援小晶元標準化進程。」這樣一來，摩爾定律很可能會再次生效。