小芯片堆栈技术引领先进处理器市场,各科技大厂加入布局

摩尔定律 (Moore′s Law) 似乎面临极限,要处理器性能持续发展,小芯片堆栈技术(Chiplet)成了重要解决方式。《华尔街日报》报道,工程师正用堆栈把平面发展处理器结构变成立体堆栈结构,通过集成存储、图像、电源管理等功能芯片,将小芯片堆栈集成,再借技术连接,提升处理器性能,且也达处理器面积缩小目标。

堆栈技术生产的处理器不只出现超级计算机,甚至SONY PlayStation 5,处理器大厂AMD定制处理器也使用此方式设计。苹果Mac Studio的M1 Ultra处理器,以及数据中心高端服务器的英特尔Ponte Vecchio图形处理器都采此技术。但小芯片处理器仍未现身移动设备,因相当耗电,以英特尔Ponte Vecchio图形处理器来说,虽然服务器运算能力突出,但高达600功能耗,使堆栈技术无法落实到一般移动设备,如智能手机。

摩尔定律代表处理器发展以每两年晶体管翻倍,但从纳米进入埃米时代,技术克服越来越困难。要延续处理器性能提升发展,小芯片堆栈技术生产的处理器就成为解决方案之一。荷兰半导体制造商艾司摩尔 (ASML) 已垄断全球先进制程曝光机市场,2021年说明会指出,要处理器性能与面积再发展,只靠制程微缩会面临瓶颈,必须堆栈架构才能完成。

以前生产堆栈架构处理器并不容易,除了必须精准控制每个芯片制程,还要用技术连接芯片,就像两个单位必须有交通连接。现在这些问题都能通过先进制程和封装技术解决,将分隔两地的芯片以技术集成至处理器,再以先进封装连接芯片,不但减少数据传输瓶颈,甚至提高运行效率,让处理器性能大大提升。International Business前高层指出,这就像是将两地单位集中到一栋楼,减少三分之一电路空间,也让沟通像搭电梯更快速。

构建处理器垂直架构核心,就在处理器各功能小芯片。每个小芯片通过堆栈集成至处理器,再以硅穿孔技术连接,完全封装在处理器内,不需外部电路连接。小芯片沟通更快速,也能达到通过制程微缩生产处理器的运行性能。以英特尔Ponte Vecchio图形处理器来说,每个图形处理器都由63个小芯片连接。小芯片总堆栈面积为3,100平方毫米,含1,000亿个晶体管。相比笔记本核心处理器面积不到150平方毫米,约Ponte Vecchio图形处理器堆栈面积5%,却约15亿个晶体管,仅Ponte Vecchio图形处理器1.5%,运算性能也由此可知。

除了运行性能,先进制程芯片生产成本高得令人咋舌,未来2纳米制程芯片设计成本将超过28纳米14倍。但小芯片堆栈处理器因每个小芯片都能以需要制程生产,不需要耗资高成本,即便多数PC机与笔记本处理器都还没以这方式生产,英特尔仍表示,堆栈大小芯片给予效率更好、成本更省的生产方式。英特尔竞争对手AMD已是小芯片堆栈技术领先者,通过处理器外加上内存,使小芯片堆栈技术处理器,运算性能高于传统处理器。

EDA大厂ANSYS指出,小芯片堆栈市场需求过去仅个位数,现在增加20倍之多,甚至英特尔与AMD是竞争对手的半导体大厂也加入Universal Chiplet Interconnect Express (UCIe) 联盟,一同与Arm、台积电、三星等推动标准与技术。越来越多科技大厂对小芯片堆栈技术有浓厚兴趣,陆续加入自研芯片以发展业务,有Google、亚马逊、微软、特斯拉等。未来可期待从云计算服务器到智能手机、游戏主机与自动驾驶汽车等都能看到小芯片堆栈架构为主的处理器。

小芯片堆栈处理器预计超越传统制程处理器,专家提醒,小芯片堆栈处理器除了提高性能,因不需接电路,甚至是生产软性终端设备的利器,且有团队正在研究。尽管小芯片堆栈处理器仍有许多困难待克服,但运算能量很难不让人注意,摩尔定律延续下去也可能得靠它。小芯片堆栈处理器发展,还只是开始。

(首图来源:英特尔)