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小芯片Chiplet夯什么?挑战摩尔定律天花板

小芯片发展需要克服的挑战
小芯片虽然具有异质整合优势,但目前几家国际大厂提出的小芯片解决方案主要针对超越摩尔定律(More than Moore),投注的资源也最多、产能最大、效益最高,然而,单一系统芯片模块要最大化必须透过密集、高速、高带宽连结,才能确保最佳效能水平、传输速度及功耗效益,因此,未来小芯片仍有诸多挑战需克服。
【挑战1】技术问题
小芯片组装或封装仍缺乏统一标准,各大厂都有自家方案,虽然名称不同,离不开TSV和高密度技术。谢嘉民说,不论是芯片堆栈还是大面积拼接,都有制程上的挑战,「小芯片要抛薄,要用不同材料,立体化高密度下,封装技术的挑战超乎想象,比方散热、应力、讯号传递互不干扰等问题都要一一克服。」
【挑战2】质量问题
SoC是一片芯片中制造不同功能区,小芯片则是由独立芯片功能透过封装堆栈完成终极功能。与SoC不同,小芯片只要其中一个芯片出问题,整个系统都会受影响,付出的代价很高,因此,小芯片必须被独立测试、独立运作以确保质量无虞。
【挑战3】散热问题
几个甚至数十个芯片封装在同一个空间中,互联机极短,散热处理更为棘手。
【挑战4】芯片互联标准
小芯片目前还没有共通的互联标准,而是开发商与客户自定义标准。小芯片需要彼此互联的通讯互联标准才不至于互连后Dead Lock(闭回路)。单一小芯片的通信系统也许可以很好地工作,但是当小芯片全部连接在一起形成芯片网络时,就可能出现死锁与流量堵塞等问题。
【挑战5】供应链整合
电子设计自动化EDA(Electronics Design Automation)工具在半导体制造中越来越重要。在小芯片模式下,EDA工具商、芯片商、封测商都要与时俱进做出改变,比方小芯片模式出现问题可能需要EDA工具从架构探索甚至物理设计方面提供全面支持,不同芯片商、封装商的进度也需要同步。
【挑战6】SdC Tool
工研院资通所组长许钧珑指出小芯片仓库(IP Mall)、架构探索与效能分析(Sowhere Defined Chiplet)工具的重要性,前者可以依产品需求挑选不同制程、功能的小芯片,后者可以检测前者的效能与良率状况,「这个Tool可以有效评估小芯片兜在一起时的整体表现,如芯片面积、功耗、散热、讯号、成本等效益。」

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IntelEMIB技术,此LSI(local Si interposer)用以连结不同Die,同interposer概念。(source:国研院半导体中心)

小芯片与SoC共存互利 各领风骚
小芯片具有异质整合能力,也被视为突破摩尔定律(Moore’s Law)物理极限、提高芯片运算力、降低成本的良策,它会是摩尔定律的「最后一棒」,甚至取SoC而代之吗?工研院资通所组长许钧珑认为,小芯片会不会是摩尔定律的最后一棒很难说,但继续夯个十年应该没问题,「设计、封装等面向都有持续改善的空间,未来还会在这个方向上继续精进发展。」
他进一步说明,小芯片是把芯片的某些特定功能做成很小的die,台积电的CoWoS、Intel的EMID都是封装技术的突破,目的是为了异质整合,不用像SoC在同一制程下封装。不过,小芯片在应用端上主要是高速运算部分,适合少量多样产品,如追求快速、低成本的AI、服务型机器人、自驾车等,「越智能越需要小芯片,比方服务型机器人具有影像及声音辨识功能,如果想更新其中一部分功能,只要更换小芯片上的一颗Die即可。」SoC系统芯片则适合生命周期较长、量大、短期不须置换或更新的产品,如手机芯片,「就算苹果推出新产品,具有照相、运算、视讯等功能的SoC板基本不会变,这类产品用不到小芯片。」
与AI有关的芯片如CNN卷积神经网络(Convolutional Neural Networks)及RNN递归神经网络(Recurrent Neural Networks)芯片做在一块SoC里成本相当高,「AI是不断学习、智能导向,用SoC做死就没有功能了,但小芯片可以找到相对应的功能,成本较低,置换也比较容易。」未来如有其他智能需求,如语言需求,可以搭NLP(Natural Language Processing)芯片,不同智能需求堆栈不同的小芯片,量身打造客制化、机动性高的产品。由于日常生活不太需要与航空、军事或AI运算有关的高端产品,因此,小芯片不会完全取代SoC,两者各有擅长,视产品需求、成本等考虑选择适合的技术。

国研院半导体中心副主任谢嘉民强调,小芯片不是新概念,但新的应用方式可以增强驱动能力,「让小芯片发挥更好的效能,必须克服研发与制程问题,整合好就能用得更好。」
国研院半导体中心副主任庄英宗从异质整合角度看小芯片未来发展,他认为多芯片IP发展已相当精致多元,许多大厂抢食这块大饼,却忽略IoT等新创事业的发展性,「IoT未来趋势很多,profit很大,因为不容易做,所以实现的很少。」日、韩等国已着墨小芯片多样性少量制造如车用传感器等产品,「未来小芯片的决战场可能在IoT,建议政府、产学界加速推动。」

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