后摩尔时代Chiplet概念大火，芯片设计将会呈现怎样的趋势？

2022-09-01 16:07:34  信息编号：K223401  浏览次数：168

近年来，随着大规模集成电路制造工艺发展速度减缓，相对于线性提升的芯片规模，芯片的制造成本呈现指数级上升，下图可以很清晰地看到两种趋势变化。

这些数字表明，我们正在为越来越复杂的芯片付出得越来越多。但是从1990年代到2000年代的经验好像并不是这样：每一代电脑价格涨得并不多，但是性能总是有大幅增长，甚至性价比都是在提高的，更好的电子产品甚至越来越便宜。为什么现在我们的感觉变化了？

这里有两方面的原因：第一，过去很长时间里消费电子的用户数量在指数级增长，这样的增长摊薄了指数级增长的成本；第二个原因就是摩尔定律，随着工艺改进，芯片上的晶体管数量每隔一段时间就会“无成本”翻倍，从而带来性能的飞速增长，所以我们感觉芯片的性价比总是在提高。摩尔定律会永远持续吗？最近这10年里，我们反复听到这个说法：摩尔定律已经结束。

那么，摩尔定律是什么？它有怎样的发展历史？未来，将会如何发展？

摩尔定律

集成电路是一种芯片，我们天天都在用，比如说家庭当中用到的集成电路有三百块之多。我们在自己家里修一些电器的时候,你可以看见有很多黑黑的方块，这些黑黑的方块是什么？就是我们说的集成电路和芯片。

这里面有大量的集成电路的基本元件，叫晶体管，可能有几十亿支甚至上百亿支。

晶体管的原理非常简单，但是真正要把这样的晶体管发明出来，人类还是经过了非常长时间的探索。我们知道，世界上第一台电子计算机是1945年在美国的宾夕法尼亚大学发明的，我们用的是所谓的电子管，大概直径在两公分左右，高度有个五、六公分，通上电以后它会发亮，像个灯泡似的。这样的电子计算机用了17500支电子管，很多，但这个电子管的可靠性非常差，六分多钟就烧坏一支，一旦烧坏了怎么办呢？

就得去换。换的时候，计算机的机房里的一些女士就要跑去把电关了，换一支电子管，再重新开机。这样的一个计算机使用效率是非常低的，因此我们迫切的需要能找到一种能代替电子管的元器件。

1947年在美国贝尔实验室，有三位科学家就发明了后来我们称之为晶体管的这种新的元器件，这三位科学家一个叫肖克利，一个叫巴丁，还有一个叫布莱坦，这三位科学家在1956年获得了诺贝尔物理学奖。

这个晶体管发明以后，我们看到它比起我们所熟知的电子管要小了很多，比一个黄豆还小，甚至像一个芝麻粒一样，可靠性非常高，而且它反应速度很快。在1954年，美国贝尔实验室用800支晶体管组建了世界上第一台晶体管的计算机，这台计算机是给B—52重型轰炸机用的，它耗电量只有100瓦，最重要它的运算速度非常快，达到每秒钟100万次。

晶体管非常好，但是大家还在想，我是不是能把晶体管做得更小？为什么呢？你用这么多晶体管，它还是有焊点，焊点会虚焊，有了虚焊以后可靠性变差，那么我们是不是可以找到可靠性更好的东西呢？所以后面我们就出现了集成电路，也就是今天我们要讲的芯片。

1958年9月12日，由当时在美国德州仪器公司的一个青年工程师，他叫杰克·基尔比，发明了集成电路的理论模型。1959年，当时在仙童公司工作的一个叫鲍勃·诺伊斯的人，也是后来英特尔公司创始人，他就发明了今天我们都在用的集成电路的制造方法——掩膜版曝光刻蚀技术。所以我们今天讲来讲去，其实我们用的技术是六十年前发明的技术，只是我们今天不断地在规模上、精度上变小而已，这两位科学家发明的集成电路对人类的影响是非常巨大的。

在集成电路发明了42年以后， 杰克·基尔比获得了2000年的诺贝尔物理学奖，非常可惜的是鲍勃·诺伊斯那个时候已经过世了，所以他没有得到诺贝尔奖。

1962年，当时国际商用机器公司，也就是IBM，开始用集成电路来制造计算机，1964年在全球发布了一个系列6台计算机，起名叫做IBM360，功能极其强大，完成科学计算、事务处理等各种各样的内容。

又过了几年，英特尔公司有一位年轻的科学家，这个科学家叫泰德·霍夫，他设计了世界上第一款微处理器，就叫英特尔4004。这个微处理器刚开始出生的时候，身世没有那么高大上，是给计算器用的，是一家日本公司去找英特尔公司，让英特尔公司帮忙设计一个芯片。所以英特尔公司它们玩命去干，最后设计给了一家叫必思康的日本公司，做计算器。

1981年的时候，也就是十年之后，IBM组织了一个团队，跑到佛罗里达去开发了一个到今天影响全世界、全人类的重大产品，就是个人电脑，后来我们称为叫PC。当时用的是英特尔的8088微处理器，其实它的速度很慢，但是在当时是非常了不起的。

所以，集成电路和芯片的进步，不断地从原来的政府应用到民间的应用，比如我们从军事应用到一般的民用，而且从一般的、常规的市场商业应用换成老百姓家里。

芯片领域有一个著名的摩尔定律。其大致内容为：当价格不变时，集成电路上可容纳的元器件的数目，约每隔18-24个月便会增加一倍，性能也将提升40%。半个多世纪以来，芯片制造工艺水平的演进不断验证着这一定律，持续推进的速度不断带动信息技术的飞速发展。

摩尔定律的发展历史

关于摩尔定律的发展历史，从下图可以看得比较清楚，纵坐标是处理器性能，横坐标是不同的工艺和架构发展阶段。

从70年代中期开始，基于CISC复杂指令集的处理器，经历了10年的快速发展，每3.5年性能就翻一倍。然后精简指令集RISC由于它流水线比较好设计，容易利用工艺的发展，所以能继续推动性能的快速发展，差不多1年半就提高一倍，当然这个时期也出现了制造工艺大发展，所以芯片性能提高比较快。

到2005年左右有一个重要的规律Dennard Scaling，或者叫MOSFET scaling差不多发展到头了，它的含义就是说工艺发展了，晶体管变小驱动电压就会变小，会自然带来芯片功耗的降低，所以你只管增加芯片复杂度，下一代工艺出来了自然会帮你把功耗压住。但是到这个阶段不行了，漏电压不住了，单位功耗无法再降，那么单核频率就没办法再提高了，那怎么办呢？我们都知道答案，就是转向多核处理器，多核又带来一个高速发展期，还是三五年就能提高一倍的性能。

但是，多核也存在一些问题，无论是上还是高性能计算上，都不是有多少核就总是能用多少核的，Amdahl定律就是描述这个规律，即算法里面的串行部分总会卡住最高的性能。同时，并行化也有额外开销，即使像图像深度学习这么极端的并行数据算法，也存在一些偏向串行化或者全局的算子会变成性能瓶颈。所以我们看到过去10年里面，处理器的实际应用性能提高远没有前30年那么快了。

总结来说，过去的四十年里面，不断发展的工艺和架构设计共同推动着摩尔定律持续前进，即使是今天也还有3nm、2nm、1nm先进工艺在地平线上遥遥可及。但是现实趋势来看，更高工艺、更多核、更大的芯片面积已经不能带来过去那种成本、性能、功耗的全面优势，摩尔定律确实是在进入一个发展平台期，也意味着我们进入了“后摩尔时代”。

如今，摩尔定律已经到了一个部分失效的阶段，即晶体管密度虽然还在继续增加，但功耗密度和性能密度已经很难进一步提高，也就是没有那种随着工艺改进自动发生的进步了。后摩尔时代，我们也观察到几个趋势正在给验证EDA带来更高的要求：

新兴应用领域飞速发展，需求急剧分化；

从更多维度构造自主芯片，满足应用领域需求；

压力巨大的应用创新周期。

Chiplet概念大火

近期，Chiplet（芯粒）概念大火。

在数据时代，数据量急速增加，对算力提出要求。但在硬件算力层面，采用先进工艺芯片的设计成本逐渐提高，每代制程节点升级所能带来的性能提高幅度和功耗降低幅度减小，摩尔定律发展放缓，单芯片面积和性能出现设计瓶颈。

与传统SoC方案相比，Chiplet具有性能高、设计灵活、成本低、上市周期短等优势。Chiplet可应用于CPU、GPU、AI、自动驾驶等高性能计算领域，市场空间非常广阔。

以英特尔、AMD为代表的大厂，已成功推出基于Chiplet里面的芯片产品。2022年3月，由英特、AMD、Arm等全球行业巨头组建了UCIe联盟，推动芯粒接口标准化，为Chiplet的发展，建立了统一的标准。

Chiplet不仅是一种产品和芯片的设计思路，更是一种系统集成方法论。布局Chiplet技术，需要在架构设计、互联接口和制造及先进封装等产业链各方面都有新兴的技术出现。

转向3D封装也提高了芯片设计和制造的复杂度，需以完善开放的产业生态为支撑，从 EDA厂商、晶圆制造和封装公司、芯粒IP供应商、Chiplet产品及系统设计公司到Fabless设计厂商，需要产业链各个环节的参与者的共同努力，推动终极完整生态的到来。

后摩尔时代的芯片设计趋势

过去几十年里，通用电子设备如个人电脑、、汽车、云计算等新兴应用领域正快速推动着芯片和EDA产业的发展。曾经围绕这些设备里芯片的一个关键词是“快”，更快的芯片就是更好的芯片，因为功耗、成本和物理限制都不是问题，那是一个美好的年代。

但是，后摩尔时代没有那么容易设计出“更快”的芯片了，或者说更快的芯片一定更贵了，是不是芯片不会再变化了呢？答案是否定的，未来芯片的变化反而会更大，不同的指令集、内存类型、内存大小、外部接口、专用指令或加速器、软硬件分工模式、封装模式等等，都没有绝对的好坏，甚至一味追求更高工艺都不一定正确了，因为单颗芯片继续简单增加功能或者提高工艺，必然带来成本的增加，对用户不一定是好事。

这种情况下，设计就不一定是做加法了，很多时候我们可能还要做减法。任何改变都是取舍权衡，那么权衡由什么来决定呢？由应用系统的需求决定。未来，如何发挥一颗芯片的设计，也需要应用系统和软件做相应的变化。过去那种软件不需要太多变化，隔几年用同样的钱换新一代的芯片就能看到系统性能提升，这样的经验已经不再适用了。

所以，后摩尔时代的芯片创新空间是变大了，而不是变小了。但是设计的约束和目的变了，从设计更快的芯片转变为设计更符合系统应用创新需求的芯片。我们也确实看到了业界在发生这样的变化：苹果、特斯拉、华为、谷歌、阿里巴巴等、汽车、服务器、AI、云服务等高科技系统公司，都在从“采购和使用通用芯片”，转向“定制自己的芯片”，在内部不断加强芯片团队方面的投资，通过SoC芯片和ASIC芯片的创新来实现系统创新。同时，新兴高科技的发展也反过来促进芯片设计和EDA的发展，比如人工智能、机器学习、云计算等技术对芯片设计和 EDA工具本身的影响也越来越大。

对于国内公司来说，在高工艺发展受限的大背景下，就更没有必要完全把注意力放在先进工艺上，应该看到即使是在14nm、16nm、28nm甚至更低工艺上，国内很多芯片产品整体来看还是跟国际巨头有差距，这种差距恰恰是架构、软件、编译器以及应用需求匹配等因素造成的。后摩尔时代的芯片创新，会有更多不同的维度。

后摩尔时代的第二个趋势是，芯片设计约束变得更多维。过去在工艺发展驱动下，一般都以围绕着工艺的PPA（性能、功耗、面积）指标作为核心维度实现芯片设计，其中面积也约等于芯片成本。但是发展到后摩尔时代，PPA三者之间的矛盾互斥已经大到很难平衡，而成本也不再简单取决于芯片面积，因此我们可以观察到芯片设计的约束维度已经开始发生明显的变化，其中包括：

软件

越来越定制化的芯片，必然也越来越依赖针对性的软件去利用这些创新的芯片功能。苹果在自主设计芯片之前，曾经长期CPU工艺落后于高通，但是基于iOS软件系统的苹果流畅程度、用户体验都优于大部分竞争对手。这个例子充分说明了系统级软硬件集成优化的重要性，而单个芯片的PPA指标并不必然能给整个应用系统带来提升。

而软件的优化，不能等到芯片开发生产完成再做，必需要从项目规划阶段就能根据应用需求做好软硬件划分，并把“特定软件”和“特定芯片”结合到一起，去实际评估最终能否达到性能需求。这样就出现了“先有鸡还是先有蛋”的问题，因此新一代EDA工具需要对软件提前定制和优化需求进行支持。

架构

过去，处理器指令集以从CISC发展来的x86指令集为典型代表，在发展过程中不断增加新的指令，越来越庞大。但RISC-V为代表的新型ISA和架构反其道而行之，从一个非常简单的指令集出发，只为特定应用增加特定指令和加速器。基于这种思路，诞生了大量的DSA（领域特定）芯片，在AI监控、自动驾驶、IoT等领域取得了比通用处理器更好的效果。另一个更激进的架构演进方向代表是存内计算，让存储和计算能够在同一个器件内完成，这打破了冯诺依曼架构的固定模式，在很多机器学习应用上都能带来与工艺发展无关的效率提升。

同时，在多核、多计算单元、多芯粒（die）并行的复杂芯片中，SoC体系结构的优化也还存在很大的空间。举例来说，我们可以在某些ARM架构服务器芯片，或者在某国产x86 CPU芯片上，都观察到单核频率和特定计算性能高于同档次Intel Xeon处理器的情况，这说明单纯从处理器核的设计和生产工艺上，后来者们都已经达到一定的水准。但是在运行多核、多socket的数据库等复杂系统软件时，性能还是有一定差距，这也反向证明了在一个复杂的多核、多芯片、多级存储体系里，架构优化的重要性。

封装

随着多芯粒（die）封装从2D逐渐过渡到3D，高带宽高密度互连的Chiplet封装成了最近很火的一个技术方向。它把不同工艺的模块化芯片，像拼接乐高积木一样用封装技术整合在一起，实现更高的性能。Chiplet可以更容易地赋能系统公司自定义创新芯片，也可以帮助中小型的芯片公司和团队降低创新门槛，把资源投入在核心创新点上。比如国产GPU公司壁仞科技最近发布的7nm GPU产品，通过CoWoS Chiplet技术集成了计算芯粒和高带宽HBM2内存芯粒，实现了媲美竞争对手4nm高端GPU的同等算力，并且在不同产品线之间共享计算芯粒，有效降低了成本和提高了良率。

但是Chiplet包含了很多EDA相关的新技术，比如说跟制造相关的包括封装里面功耗分析、散热分析等，Chiplet芯片的设计验证也对传统EDA提出了新的要求。特别是在验证技术和工具方面，实际上已经成为Chiplet发展的瓶颈。因为Chiplet目前还以单一公司完成全系统为主，但未来多厂商合作的新型Chiplet模式会把传统SoC流程打破，这就要求在IP建模、互连架构分析、系统功能验证、功耗验证等方面提出新的模式，而不仅仅是解决了制造问题就能实现全新的Chiplet产业结构。

多模块

从应用系统出发的新趋势，也决定了单颗芯片无法达成系统设计目的，因此芯片的定义、设计和验证也必须考虑多颗芯片之间的协同。比如Nvidia公司的NVlink GPU片间通信接口协议，给GPU处理器增加了高性能数据交换接口，绕过了原来的PCIe瓶颈，有效提高了多GPU协同训练大型AI模型的效率。目前复杂处理器的规模在几亿到上百亿等效逻辑门，但未来一个电子应用系统的总逻辑门数量会在几千亿、几万亿，这不可能用单颗芯片或单颗封装去完成，必须充分考虑几十到几百颗芯片的扩展，并有效处理子系统之间的连接和分工。

这种通过异构、多芯粒、多模块系统集成的方式，也体现了从系统设计角度出发去定义和设计芯片的理念。半导体设计产业开始不仅是通过工艺的提升，而是更多考虑系统、架构、软硬件协同等，从系统应用来导向、从应用来导向去驱动芯片设计，让用户得到更好的体验。

再来说项目周期，自定义芯片驱动的系统创新周期是从应用需求创新开始，对系统和芯片提出新的需求，因此推导出需要一颗或多颗在功能、功耗、性能上权衡的芯片，然后开始芯片的设计和生产，芯片被制造出来之后投入使用，与软件一起形成新的系统。但是这个周期当中的芯片设计验证环节，对系统公司来说是一个全新的领域，不管是外包还是自研，在当前的EDA工具和方法学流程中，都存在1-2年的创新间隔。

由于系统级软硬件和传统芯片设计思路之间的隔阂，这样的创新性项目周期，往往从一开始就会耗费比预计更长的时间，从系统的功能性能指标到具体的芯片定义是一个非常复杂的过程，需要跨领域的架构工程师团队紧密合作，基于多种工具平台分解需求和向下映射。

鉴于系统级应用的复杂性和技术挑战，这些步骤往往需要比预期中更多的时间，这会迫使项目通过验证和测试等下游步骤去弥补损失的时间，进一步压缩本就很紧张的时间表。但是复杂SoC芯片和高级工艺的超高成本，又决定了芯片的验证要求很高，需要保证功能和性能验证的覆盖率，于是我们往往会看到芯片设计项目在仿真、调试、原型验证等环节碰到资源、人员、验证平台实现等各种瓶颈，引入更多的时间延误。即使芯片成功流片，进入生产阶段，系统级应用带来的复杂测试环境，对传统ATE测试方法又带来速度、资源上的各种限制，影响项目真正实现“进入市场”的时间点。

因此，这里的第三个趋势，是前两个发展趋势所必然带来的挑战。如果不能直面这些挑战，那么系统创新驱动的多维芯片创新就会受到影响。