5分钟IN科普 | 多芯片系统背后的底层技术

多芯片系统（system of chips）是现代芯片设计的重要演进方向，它通过将多个功能各异的芯粒（chiplets）利用先进封装技术集成在一起，实现了比传统SoC（system on chip，系统级芯片）更高的性能、更低的功耗和更好的可扩展性。从追求单一芯片的集成度转向注重系统级的高效协同，这一方向将为算力的可持续发展提供新的技术路径。

SoC是一种将电子系统的关键功能部件（如处理器、存储器、各种接口控制器等）高度集成在单一芯片上的技术。SoC可以比作一个职能齐全的城市，通过资源高度集成来提升性能并降低功耗。然而，随着芯片规模不断扩大，单一芯片的设计面临着物理极限和经济性挑战。

多芯片系统则代表了一种模块化的设计范式。它不像SoC那样追求所有功能在单一芯片上的集成，而是将系统功能分解为多个专门的芯粒，每个芯片独立优化，最后通过先进封装技术集成在一起。这种范式转变类似于从建设单一超级城市转变为构建一个由专门化城市组成的城市群。

芯粒是预先设计和验证的功能块，可以是处理器核心、内存控制器、输入输出接口等。每个芯粒可以基于最适合其功能的工艺节点制造，而不是强制整个系统使用同一制程工艺。

多芯片系统依赖先进的封装技术实现芯粒间的高速互连。主要包括：

· 硅中介层：在硅片上制造互连线路，芯粒通过微凸块连接其上； 

· 嵌入式桥接：在封装基板中嵌入小尺寸硅片提供高密度互连；

· 硅通孔：垂直穿透硅片的导电通道，实现3D堆叠。

芯粒间需要高带宽、低延迟的通信协议，如UCIe（通用芯粒互连）标准，定义了物理层、协议层等标准，确保不同供应商的芯粒可以无缝协作。

· 性能提升：通过芯粒的专门化优化和异构集成，每个芯粒可以采用最适合其功能的工艺节点，整体性能显著提升；

· 成本降低：大型单芯片的良率随面积增加而急剧下降，而将功能分解为多个小芯粒可以大幅提高良率，降低制造成本；

· 设计灵活性：可以采用混合匹配的方式，根据不同应用需求选择不同的芯粒组合，快速打造定制化解决方案；

· 能效优化：多芯片系统实现了从“一味追求算力”到“算力与能效并重”的转变，符合绿色可持续的计算发展方向。

· RibbonFET：全新的晶体管架构，继续推进晶体管微缩；

· PowerVia：将供电线移至晶体管背面，解决互连瓶颈；

· 硅光技术：让芯片间的通信传输距离更长，过程中的功耗更低；

· 先进封装：使不同芯粒的高密度集成成为可能；

· 逻辑微缩和堆叠：通过技术创新不断缩小晶体管体积，并让它们能够在更高的集成密度下妥善运行。