Innolink-国产首个物理层兼容UCIe标准的Chiplet解决方案
2022-04-12
13:52:34
来源: 芯动科技
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前言
2022年3月，芯片制造商英特尔、台积电、三星联合日月光、AMD、ARM、高通、谷歌、微软、Meta(Facebook)等十家行业巨头共同推出了全新的通用芯片互联标准——UCle。
几乎与此同时，中国IP和芯片定制及GPU赋能型领军企业芯动科技宣布率先推出国产自主研发物理层兼容UCIe标准的IP解决方案-Innolink™ Chiplet，这是国内首套跨工艺、跨封装的Chiplet连接解决方案，且已在先进工艺上量产验证成功！
▲ Innolink™ Chiplet架构图
随着高性能计算、云服务、边缘端、企业应用、5G通信、人工智能、自动驾驶、移动设备等应用的高速发展，算力、内存、存储和互连的需求呈现爆炸式增长。但同时，先进工艺芯片迭代也面临着开发难度大、生产成本高、良品率低的窘境，即先进制程工艺下芯片面临着性能与成本的矛盾，Chiplet技术在这一背景下得到快速发展。
▲ 制程工艺发展和晶体管密度增加导致开发成本急剧上升
Chiplet技术的核心是多芯粒(Die to Die)互联，利用更短距离、更低功耗、更高密度的芯片裸die间连接方式，突破单晶片(monolithic)的性能和良率瓶颈，降低较大规模芯片的开发时间、成本和风险，实现异构复杂高性能SoC的集成，满足不同厂商的芯粒之间的互联需求，达到产品的最佳性能和长生命周期。
▲ Chiplet核心技术是多芯粒互联
近年，AMD、苹果和英伟达等国际巨头都发布了标志性的Chiplet旗舰产品，并在各个应用领域取得极大成功，进一步验证了Chiplet技术的可行性和发展前景，使得Chiplet互联这一核心技术日益受到市场追捧！
▲ 多芯粒互联的Chiplet技术是实现高性能异构系统的发展趋势
▲ 苹果自研M1 Ultra芯片应用Chiplet技术实现性能翻倍
Chiplet早期发展协议混乱 各公司制定自己的私有标准
此前，众多的芯片厂商都在推自己的互联标准，比如Marvell在推出模块化芯片架构时采用了Kandou总线接口；NVIDIA拥有用于GPU的高速互联NV Link方案；英特尔推出了EMIB (Embedded Die interconnect bridge)接口；台积电和Arm合作搞了LIPINCON协议；AMD也有Infinity Fabrie总线互联技术等等。芯动科技奋起直追紧随其后，2020年在国内率先推出自主研发的Innolink™ Chiplet标准并实现授权量产。
Chiplet技术核心就是Die to Die互联，实现大带宽下的多芯片算力合并，形成多样化、多工艺的芯片组合。显然，如果各家芯片厂商都在推自己的标准，这将导致不同厂商的Chiplet之间的互联障碍，限制Chiplet的发展。因此，实现各个芯粒之间高速互联，需要芯片设计公司、EDA厂商、Foundry、封测厂商等上下游产业链协调配合、建立统一的接口标准，从而实现Chiplet技术的量产应用并真正降低成本，加速整个Chiplet生态的发展。于是，UCIe标准应运而生。
UCIe的建立将有力推动Chiplet连接标准发展
前不久，UCIe标准发布引起了业界高度关注与热议，因为这是由一条比较完整的产业链提出的开放的、可互操作性的标准，能有效解决当前先进工艺芯片产业上下游发展的难题，降低成本、提升性能。
Universal Chiplet Interconnect Express (UCIe)® 是一个开放的、行业通用的Chiplet（芯粒）的高速互联标准，由英特尔、AMD、ARM、高通、三星、台积电、日月光、Google 、Meta、微软等十大行业巨头联合推出。它可以实现小芯片之间的封装级互连，具有高带宽、低延迟、低成本、低功耗等优点，能够满足包括云端、边缘端、企业级、5G、汽车、高性能计算和移动设备等在内的整个计算领域，对算力、内存、存储和互连日益增长的高需求。通俗来讲，UCIe是统一标准后的Chiplet，具有封装集成不同Die的能力，这些Die可以来自不同的晶圆厂，也可以是采用不同的设计和封装方式。
Innolink™ Chiplet方案解读
▲ 芯动Chiplet架构师高专讲演Innolink™ Chiplet方案
就在Ucle标准发布后两周，芯动科技就宣布推出首个国产自主研发物理层兼容UCIe标准的IP解决方案-Innolink™ Chiplet。芯动Chiplet架构师高专表示：芯动在Chiplet技术领域积累了大量的客户应用需求经验，并且和台积电、intel、三星、美光等业界领军企业有密切的技术沟通和合作探索，两年前就开始了Innolink™ 的研发工作，率先明确Innolink B/C基于DDR的技术路线，并于2020年的Design Reuse全球会议上首次向业界公开Innolink A/B/C技术。
得益于正确的技术方向和超前的布局规划，Innolink™ 的物理层与UCIe的标准保持一致，成为国内首发、世界领先的自主UCIe Chiplet解决方案。
▲ Innolink A/B/C实现方法
Innolink™ Chiplet的设计思路和技术特点：
1. 业界很多公司认为Chiplet跨工艺、跨封装的特性，会使其面临复杂的信号衰减路径，所以普遍使用SerDes差分技术以应对这一问题。芯动基于对Chiplet应用场景和技术趋势的深刻理解，以及在DDR技术领域的绝对领先，认为相较于SerDes路线，DDR技术更适合Chiplet互联和典型应用，而且不同封装场景需要用到不同的DDR技术方案。
2. Chiplet(Die to Die) 在短距PCB、基板、Interposer上连接时，路径短、干扰少、信号完整性好，此时采用DDR技术路线在延时功耗和带宽密度上更具优势。在短距离PCB、 基板、Interposer平台上，DDR对比SerDes的优势如下：
Chiplet的核心目标就是高密度和低功耗，DDR技术满足多芯粒互联的高密度、低功耗、低延迟等综合需求，可使多芯粒像单芯粒一样工作，单芯粒总线延展至多芯粒。因此，芯动综合考虑SerDes和DDR的技术特点，在Innolink-B/C 采用了DDR的方式实现，提供基于GDDR6/LPDDR5技术的高速、高密度、高带宽连接方案。
3. 标准封装使用MCM传统基板作为Chiplet互联的介质，具备成本便宜等特点，是对成本较为敏感的Chiplet应用场景首选；先进封装如Interposer，具备密度高、良品率低、成本高等特点，则是对价格不敏感的高性能应用场景首选。在UCIe定义正式发布前，Innolink-B/C就提前实现了这两种封装场景的应用，验证了其对市场前景和Chiplet技术趋势的准确判断。
▲UCIe定义不同封装标准的主要性能指标
4. 针对长距离PCB、线缆的Chiplet连接，Innolink-A提供基于SerDes差分信号的连接方案，以补偿长路径的信号衰减。
5. 总的来看，Innolink-A/B/C实现了跨工艺、跨封装的Chiplet量产方案，成为业界领先！围绕着Innolink™ Chiplet IP技术，芯动同时还提供封装设计、可靠性验证、信号完整性分析、DFT、热仿真、测试方案等整套解决方案！
▲ Innolink™ Chiplet的设计包含了UCIe的Chiplet连接先进、标准封装定义
图中显示UCIe分了3个层次，Protocol Layer协议层、die to die Adapter互联层、Physical Layer物理层。其中协议层就是常用的PCIE、CXL等上层协议，底层的Die to Die和PHY物理层，即是和Innolink™同样的实现方式。
总结：芯动准确地把握了Chiplet技术方向，并前瞻性地完成设计验证，与后来推出的UCIe技术方向一致，为Innolink™ 兼容UCIe标准奠定基础，成为业界领先方案。
这听起来像押中高考大题的故事，其实Innolink™背后的技术极为复杂，正因为芯动掌握了高速SerDes、GDDR6/6X、LPDDR5/DDR5、HBM3、基板和Interposer设计方案、高速信号完整性分析、先进工艺封装、测试方法等等世界领先的核心技术，并且经过大量客户需求落地和量产验证迭代。博观而约取，厚积而薄发，“押中题”无疑是是芯动技术团队长期投入和耕耘的成果!
芯动准备了满满一桌的大餐 等着UCIe这个客人上桌!
Innolink™ Chiplet是芯动先进IP之集大成者，代表着国内乃至世界领先水平，闻之不如见之，我们来盘点一下其内部实现的基础技术。
▲ 18Gbps GDDR6 单端信号量产验证
▲ 21Gbps PAM4 DQ eye, single ended
▲ HBM3 6.4Gbps 高速眼图
▲ 全球首个GDDR6/6X combo IP量产
▲ 32/56G SerDes眼图
▲ 风华1号4K高性能GPU应用Innolink™ Chiplet实现性能翻倍
▲ 先进封装信号完整性分析
▲ 封装热效应仿真
看到这些赏心悦目的IP验证测试眼图，相信大家对Innolink™ Chiplet有了更加客观的认知。追本溯源，这些成果反映的另一问题也值得探讨，为什么芯动能在这么多先进技术上取得如此耀眼的成绩？
为什么要做先进IP？有哪些挑战和困难？
芯动科技的CEO敖海先生是技术出身，长期保持和一线研发工程一起讨论架构、改代码、调电路、定方案的习惯，从领导人至一线员工，全公司都秉承踏实进取、勇于创新、务实精进的作风。见微知著，芯动研发团队能持续攻克一个个技术难关、攀登一座座行业高峰也就不奇怪了。正因于此，芯动才能保持对市场的敏锐判断和技术发展的持续领先！
▲ CEO亲自参与研发工作，带领团队勇争领先！
敖海认为，现阶段先进工艺芯片技术迅速发展、高性能应用需求急剧增加，只有不畏挑战迎难而上、抢先占领技术高地，在Chiplet等先进IP技术上对标海外巨头，并在某些领域实现弯道超越，才能在市场上站稳脚跟，有效赋能国产半导体发展！
▲ 芯动科技CEO敖海先生
首发先进IP技术具备很多优势，可以快速赢得业界认可、第一时间导入客户需求并设计验证、广泛获得Foundry和封测等上下游的大力支持。在市场应用成熟时，还可以让广大芯片客户用上量产验证的、可靠安全的IP，从而根据新的升级方向迅速实现技术迭代，进一步推动业务增长。一步领先、步步领先，从IP切入是极具实际意义的。
当然，首发推出先进工艺IP面临很多困难:
1.没有参照对象，试错成本高。
第一个吃螃蟹的人，先进道路的开拓者，总要付出加倍的努力。在很多大的技术节点上并没摸石头过河的说法，需要不断的摸索尝试。通俗点讲就是一个个坑踩个遍，踩结实了，路就平了。
2.对团队要求高。
一个先进IP，从数字到模拟、后端到工艺、流片到封测，每个环节都要资深的技术人员，芯动经过16年的积累，打造一支技术过硬的队伍，后来居上，面对国外厂商的先发优势毫不退让，用实力赢得全球客户认可。
3.先进工艺流片验证成本高。
先进工艺的IP流片验证成本很高昂，设计工时、FinFet工艺MPW或者流片费用、封测等累加，每次验证的费用轻轻松松破百万美元。
某种意义上，芯动在先进IP领域获得的优势和业界认可，以及6大合作晶圆厂在工艺、流片成本、产能上给予的巨大帮助，都是做先进工艺IP的好处。
先进IP的重要意义
有和没有先进IP区别是很大的，有先进IP能够使市场更加理性，同时满足国产高端芯片自主可控、技术迭代的迫切需求！
▲ 芯动科技主办的2021国产IP与定制芯片生态大会盛况
芯动的先进IP技术，一方面引领行业技术的创新，塑造半导体企业的全球化长远发展视野，另一方面填补国内高性能芯片的应用空白，助力国内高端芯片发展。
芯动16年来重兵投入全球先进工艺、专注国产自主IP研发，在高性能计算平台、多媒体终端&汽车电子平台、IoT物联网平台等应用领域打造了核心优势，超过200次的流片记录、逾60亿颗授权量产芯片、10亿颗以上高端定制SoC量产，默默耕耘、脚踏实地，为赋能高端芯片做出重要贡献！
2022年3月，芯片制造商英特尔、台积电、三星联合日月光、AMD、ARM、高通、谷歌、微软、Meta(Facebook)等十家行业巨头共同推出了全新的通用芯片互联标准——UCle。
几乎与此同时，中国IP和芯片定制及GPU赋能型领军企业芯动科技宣布率先推出国产自主研发物理层兼容UCIe标准的IP解决方案-Innolink™ Chiplet，这是国内首套跨工艺、跨封装的Chiplet连接解决方案，且已在先进工艺上量产验证成功！
▲ Innolink™ Chiplet架构图
随着高性能计算、云服务、边缘端、企业应用、5G通信、人工智能、自动驾驶、移动设备等应用的高速发展，算力、内存、存储和互连的需求呈现爆炸式增长。但同时，先进工艺芯片迭代也面临着开发难度大、生产成本高、良品率低的窘境，即先进制程工艺下芯片面临着性能与成本的矛盾，Chiplet技术在这一背景下得到快速发展。
▲ 制程工艺发展和晶体管密度增加导致开发成本急剧上升
Chiplet技术的核心是多芯粒(Die to Die)互联，利用更短距离、更低功耗、更高密度的芯片裸die间连接方式，突破单晶片(monolithic)的性能和良率瓶颈，降低较大规模芯片的开发时间、成本和风险，实现异构复杂高性能SoC的集成，满足不同厂商的芯粒之间的互联需求，达到产品的最佳性能和长生命周期。
▲ Chiplet核心技术是多芯粒互联
近年，AMD、苹果和英伟达等国际巨头都发布了标志性的Chiplet旗舰产品，并在各个应用领域取得极大成功，进一步验证了Chiplet技术的可行性和发展前景，使得Chiplet互联这一核心技术日益受到市场追捧！
▲ 多芯粒互联的Chiplet技术是实现高性能异构系统的发展趋势
▲ 苹果自研M1 Ultra芯片应用Chiplet技术实现性能翻倍
Chiplet早期发展协议混乱 各公司制定自己的私有标准
此前，众多的芯片厂商都在推自己的互联标准，比如Marvell在推出模块化芯片架构时采用了Kandou总线接口；NVIDIA拥有用于GPU的高速互联NV Link方案；英特尔推出了EMIB (Embedded Die interconnect bridge)接口；台积电和Arm合作搞了LIPINCON协议；AMD也有Infinity Fabrie总线互联技术等等。芯动科技奋起直追紧随其后，2020年在国内率先推出自主研发的Innolink™ Chiplet标准并实现授权量产。
Chiplet技术核心就是Die to Die互联，实现大带宽下的多芯片算力合并，形成多样化、多工艺的芯片组合。显然，如果各家芯片厂商都在推自己的标准，这将导致不同厂商的Chiplet之间的互联障碍，限制Chiplet的发展。因此，实现各个芯粒之间高速互联，需要芯片设计公司、EDA厂商、Foundry、封测厂商等上下游产业链协调配合、建立统一的接口标准，从而实现Chiplet技术的量产应用并真正降低成本，加速整个Chiplet生态的发展。于是，UCIe标准应运而生。
UCIe的建立将有力推动Chiplet连接标准发展
前不久，UCIe标准发布引起了业界高度关注与热议，因为这是由一条比较完整的产业链提出的开放的、可互操作性的标准，能有效解决当前先进工艺芯片产业上下游发展的难题，降低成本、提升性能。
Universal Chiplet Interconnect Express (UCIe)® 是一个开放的、行业通用的Chiplet（芯粒）的高速互联标准，由英特尔、AMD、ARM、高通、三星、台积电、日月光、Google 、Meta、微软等十大行业巨头联合推出。它可以实现小芯片之间的封装级互连，具有高带宽、低延迟、低成本、低功耗等优点，能够满足包括云端、边缘端、企业级、5G、汽车、高性能计算和移动设备等在内的整个计算领域，对算力、内存、存储和互连日益增长的高需求。通俗来讲，UCIe是统一标准后的Chiplet，具有封装集成不同Die的能力，这些Die可以来自不同的晶圆厂，也可以是采用不同的设计和封装方式。
Innolink™ Chiplet方案解读
▲ 芯动Chiplet架构师高专讲演Innolink™ Chiplet方案
就在Ucle标准发布后两周，芯动科技就宣布推出首个国产自主研发物理层兼容UCIe标准的IP解决方案-Innolink™ Chiplet。芯动Chiplet架构师高专表示：芯动在Chiplet技术领域积累了大量的客户应用需求经验，并且和台积电、intel、三星、美光等业界领军企业有密切的技术沟通和合作探索，两年前就开始了Innolink™ 的研发工作，率先明确Innolink B/C基于DDR的技术路线，并于2020年的Design Reuse全球会议上首次向业界公开Innolink A/B/C技术。
得益于正确的技术方向和超前的布局规划，Innolink™ 的物理层与UCIe的标准保持一致，成为国内首发、世界领先的自主UCIe Chiplet解决方案。
▲ Innolink A/B/C实现方法
Innolink™ Chiplet的设计思路和技术特点：
1. 业界很多公司认为Chiplet跨工艺、跨封装的特性，会使其面临复杂的信号衰减路径，所以普遍使用SerDes差分技术以应对这一问题。芯动基于对Chiplet应用场景和技术趋势的深刻理解，以及在DDR技术领域的绝对领先，认为相较于SerDes路线，DDR技术更适合Chiplet互联和典型应用，而且不同封装场景需要用到不同的DDR技术方案。
2. Chiplet(Die to Die) 在短距PCB、基板、Interposer上连接时，路径短、干扰少、信号完整性好，此时采用DDR技术路线在延时功耗和带宽密度上更具优势。在短距离PCB、 基板、Interposer平台上，DDR对比SerDes的优势如下：
Chiplet的核心目标就是高密度和低功耗，DDR技术满足多芯粒互联的高密度、低功耗、低延迟等综合需求，可使多芯粒像单芯粒一样工作，单芯粒总线延展至多芯粒。因此，芯动综合考虑SerDes和DDR的技术特点，在Innolink-B/C 采用了DDR的方式实现，提供基于GDDR6/LPDDR5技术的高速、高密度、高带宽连接方案。
3. 标准封装使用MCM传统基板作为Chiplet互联的介质，具备成本便宜等特点，是对成本较为敏感的Chiplet应用场景首选；先进封装如Interposer，具备密度高、良品率低、成本高等特点，则是对价格不敏感的高性能应用场景首选。在UCIe定义正式发布前，Innolink-B/C就提前实现了这两种封装场景的应用，验证了其对市场前景和Chiplet技术趋势的准确判断。
▲UCIe定义不同封装标准的主要性能指标
4. 针对长距离PCB、线缆的Chiplet连接，Innolink-A提供基于SerDes差分信号的连接方案，以补偿长路径的信号衰减。
5. 总的来看，Innolink-A/B/C实现了跨工艺、跨封装的Chiplet量产方案，成为业界领先！围绕着Innolink™ Chiplet IP技术，芯动同时还提供封装设计、可靠性验证、信号完整性分析、DFT、热仿真、测试方案等整套解决方案！
▲ Innolink™ Chiplet的设计包含了UCIe的Chiplet连接先进、标准封装定义
图中显示UCIe分了3个层次，Protocol Layer协议层、die to die Adapter互联层、Physical Layer物理层。其中协议层就是常用的PCIE、CXL等上层协议，底层的Die to Die和PHY物理层，即是和Innolink™同样的实现方式。
总结：芯动准确地把握了Chiplet技术方向，并前瞻性地完成设计验证，与后来推出的UCIe技术方向一致，为Innolink™ 兼容UCIe标准奠定基础，成为业界领先方案。
这听起来像押中高考大题的故事，其实Innolink™背后的技术极为复杂，正因为芯动掌握了高速SerDes、GDDR6/6X、LPDDR5/DDR5、HBM3、基板和Interposer设计方案、高速信号完整性分析、先进工艺封装、测试方法等等世界领先的核心技术，并且经过大量客户需求落地和量产验证迭代。博观而约取，厚积而薄发，“押中题”无疑是是芯动技术团队长期投入和耕耘的成果!
芯动准备了满满一桌的大餐 等着UCIe这个客人上桌!
Innolink™ Chiplet是芯动先进IP之集大成者，代表着国内乃至世界领先水平，闻之不如见之，我们来盘点一下其内部实现的基础技术。
▲ 18Gbps GDDR6 单端信号量产验证
▲ 21Gbps PAM4 DQ eye, single ended
▲ HBM3 6.4Gbps 高速眼图
▲ 全球首个GDDR6/6X combo IP量产
▲ 32/56G SerDes眼图
▲ 风华1号4K高性能GPU应用Innolink™ Chiplet实现性能翻倍
▲ 先进封装信号完整性分析
▲ 封装热效应仿真
看到这些赏心悦目的IP验证测试眼图，相信大家对Innolink™ Chiplet有了更加客观的认知。追本溯源，这些成果反映的另一问题也值得探讨，为什么芯动能在这么多先进技术上取得如此耀眼的成绩？
为什么要做先进IP？有哪些挑战和困难？
芯动科技的CEO敖海先生是技术出身，长期保持和一线研发工程一起讨论架构、改代码、调电路、定方案的习惯，从领导人至一线员工，全公司都秉承踏实进取、勇于创新、务实精进的作风。见微知著，芯动研发团队能持续攻克一个个技术难关、攀登一座座行业高峰也就不奇怪了。正因于此，芯动才能保持对市场的敏锐判断和技术发展的持续领先！
▲ CEO亲自参与研发工作，带领团队勇争领先！
敖海认为，现阶段先进工艺芯片技术迅速发展、高性能应用需求急剧增加，只有不畏挑战迎难而上、抢先占领技术高地，在Chiplet等先进IP技术上对标海外巨头，并在某些领域实现弯道超越，才能在市场上站稳脚跟，有效赋能国产半导体发展！
▲ 芯动科技CEO敖海先生
首发先进IP技术具备很多优势，可以快速赢得业界认可、第一时间导入客户需求并设计验证、广泛获得Foundry和封测等上下游的大力支持。在市场应用成熟时，还可以让广大芯片客户用上量产验证的、可靠安全的IP，从而根据新的升级方向迅速实现技术迭代，进一步推动业务增长。一步领先、步步领先，从IP切入是极具实际意义的。
当然，首发推出先进工艺IP面临很多困难:
1.没有参照对象，试错成本高。
第一个吃螃蟹的人，先进道路的开拓者，总要付出加倍的努力。在很多大的技术节点上并没摸石头过河的说法，需要不断的摸索尝试。通俗点讲就是一个个坑踩个遍，踩结实了，路就平了。
2.对团队要求高。
一个先进IP，从数字到模拟、后端到工艺、流片到封测，每个环节都要资深的技术人员，芯动经过16年的积累，打造一支技术过硬的队伍，后来居上，面对国外厂商的先发优势毫不退让，用实力赢得全球客户认可。
3.先进工艺流片验证成本高。
先进工艺的IP流片验证成本很高昂，设计工时、FinFet工艺MPW或者流片费用、封测等累加，每次验证的费用轻轻松松破百万美元。
某种意义上，芯动在先进IP领域获得的优势和业界认可，以及6大合作晶圆厂在工艺、流片成本、产能上给予的巨大帮助，都是做先进工艺IP的好处。
先进IP的重要意义
有和没有先进IP区别是很大的，有先进IP能够使市场更加理性，同时满足国产高端芯片自主可控、技术迭代的迫切需求！
▲ 芯动科技主办的2021国产IP与定制芯片生态大会盛况
芯动的先进IP技术，一方面引领行业技术的创新，塑造半导体企业的全球化长远发展视野，另一方面填补国内高性能芯片的应用空白，助力国内高端芯片发展。
芯动16年来重兵投入全球先进工艺、专注国产自主IP研发，在高性能计算平台、多媒体终端&汽车电子平台、IoT物联网平台等应用领域打造了核心优势，超过200次的流片记录、逾60亿颗授权量产芯片、10亿颗以上高端定制SoC量产，默默耕耘、脚踏实地，为赋能高端芯片做出重要贡献！
责任编辑：sophie
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