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打造生态系 小晶片卷起半导体产业一池春水
新商业模式成形

【作者: 王岫晨】2021年05月05日 星期三

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在过去数年的时间,半导体的2.5D异质整合晶片的确解决了很多半导体产业发展上所遇到的挑战,包括舒缓摩尔定律的瓶颈,还有在降低一次性工程费用 ( Non-Recurring Engineering;NRE ) 的同时,还能提供高阶处理能力,并且还能提高产量以及缩短产品上市时间。


小晶片生态系统成形

随着半导体技术不断的发展,在技术上其实已经不太是个问题了。特别是近年来先进制程的开发不断传出新的捷报,在摩尔定律的瓶颈上似??又被工程界不断开发出新的道路。因此看今天的半导体发展,技术并不是个太大的难题,主要的问题在於一个全新商业模式的形成。


在今天的半导体业界,许多大型企业为了加速晶片整合速度,以及提升半导体密度,因而使用了2.5D晶片。事实上进一步观察这些厂商的规模,已经足以走出一条自己的路,并开创出一条自己的半导体小晶片(Chiplet)生态系统。


至於不到那麽大规模的半导体企业,最大的挑战仍是在於现成小晶片设计上的可用性,例如透过这种方式去发展出异质整合晶片(Heterogeneous SoC;HSoC)。如果不是透过小晶片的方式来发展异质整合晶片,其初始HSoC开发的NRE费用将可能会比传统SoC还更昂贵。


持续实现获利

事实上,在半导体制造中的真正革命,所需要的是小晶片的有效商用市场。少了这样的小晶片生态系统,小晶片和异质整合晶片仍将永远是大型半导体制造商的专属领域,一般中小型半导体厂商根本没有能力跨入。此类市场的关键是适当的库存、兼容性、资料文档和可测试性。尽管如此,对於任何的商业实体来说,其实都需要一条更明确的途径来实现持续的获利,特别是半导体产业这种动辄花费高额成本的烧钱产业。


小晶片的推动需要生态圈中许多不同的角色的叁与,而建立小晶片市场的起步,非常需要一个推动的力道,这里所指的力道,其中很关键的要素是大量的初期投资,来使小晶片的计画启动。在新兴市场中,特别是半导体市场,任何先行者都将会面临着许多不确定性。因此市场的推动者必须准备一笔大量的投资,并且愿意冒险。基本上,一个强有力的技术推动者(讲明了就是一个庞大的财团),很可能正是带领这种新技术典范起飞的关键。


异构3D封装系统

3D整合和封装技术的进步,现在使得在包含多种技术小晶片的单一封装中构建复杂的系统成为可能。


从历史上看,由於功率、性能和成本方面的考虑,高级整合使用整体式设计来实现。透过包装和堆叠技术的创新,设计人员可以将其系统与小晶片整合到单一封装中,这些小晶片可以使用所选定的制程技术来优化特定功能。


新兴系统要求以极小的接囗功率来实现非常高的互连频宽。实现这一目标的两个关键要素:包括超短距离接囗标准和3D整合封装技术。


先进介面汇流排AIB

图一 : 可能的异构系统封装范例,该系统使用AIB作为接囗将感测器、ASIC、FPGA、CPU、记忆体和I / O串连在一起。
图一 : 可能的异构系统封装范例,该系统使用AIB作为接囗将感测器、ASIC、FPGA、CPU、记忆体和I / O串连在一起。

英特尔的先进介面汇流排(Advanced Interface Bus;AIB)技术,是晶片对晶片的PHY级别传输标准,可透过Chiplet的IP库来实现模组化的系统设计方法。


AIB使用类似於DDR DRAM接囗的并行数据传输机制。AIB与制程和封装技术无关,例如英特尔的嵌入式多晶粒互连桥接(EMIB)或台积电的CoWoS等封装技术。英特尔现在提供免版税的AIB接囗授权,以支援广泛的小晶片设计、服务提供商、代工厂、封装和系统供应商等生态系统。


打造小晶片生态链

许多主要的大型半导体供应商,例如英特尔、AMD、Marvell,还有一些具有规模的系统公司(例如思科)都正在投入开发HSoC异构系统,这些科技大厂基本上特性并不相同,而他们投入开发异构系统通常也出於不同的原因。


例如英特尔可能就是这种异构技术的最大采用者,且至少已经投入发展几种不同的异构产品线。例如透过异构技术来打造出最隹化的处理器产品,以及在FPGA产品线上,透过异质化的架构来完备其FPGA架构,使其FPGA可以允许更高速的运算处理。


至於AMD则是透过异构设计来提高晶片的产量,并允许将重点发展的产品透过最为最先进且最昂贵的7nm制程技术来生产。而思科之所以采用异构设计,是因为它们的系统已经变得非常庞大,透过异质架构才是最适合的发展方式。


在所有的这些情况下,工程团队都在解决非常特定的问题,尽管这些问题不一定会通用到足以被广泛采用。我们可以发现,透过小晶片的使用,让他们能够将产品推向市场,而且这些产品比起竞争对手的商品还要更有竞争优势。为了避免竞争对手也获得相同的技术,进而推出相似的竞争产品,这些小晶片的供应商不太可能与其他厂商共享小晶片技术。


结语


图二 : 小晶片的设计架构示意
图二 : 小晶片的设计架构示意

在这样的商场现实之下,未来主要的半导体公司都将继续按着自家私有的小晶片生态系统发展道路走下去。尽管英特尔在几年前推出了先进介面汇流排AIB标准,正是针对小晶片之间的相互连结而打造,目前Intel也陆续推出了更新一代的EMIB封装标准,然而其他小晶片厂商的采用度还有待观察,在采用上还存在诸多考量(一般认为多半都是出自於各自的利益使然),这样的考量也使得小晶片生态链的发展受到了些许限制与阻碍。


**刊头图(source:intel.com)


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