專(zhuān)訪北極雄芯馬愷聲：Chiplet架構(gòu)讓芯片開(kāi)發(fā)像搭積木，正構(gòu)建國(guó)內(nèi)首個(gè)可獨(dú)立銷(xiāo)售的“芯粒產(chǎn)品庫(kù)”

隨著近兩年人工智能的快速崛起以及數(shù)字經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，市場(chǎng)對(duì)于高算力芯片的需求愈發(fā)迫切。

然而與此同時(shí)，衡量半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)進(jìn)步的標(biāo)尺 —— 摩爾定律的節(jié)奏卻明顯放緩。一方面，半導(dǎo)體制程工藝已經(jīng)接近物理極限，先進(jìn)工藝的投入產(chǎn)出比難以具備商業(yè)合理性；另一方面受制于光刻尺寸以及晶圓廠良率，單芯片的面積難以無(wú)限擴(kuò)大。

在當(dāng)今的后摩爾時(shí)代，面對(duì)算力需求的指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，業(yè)界開(kāi)始從其他維度探索提升芯片算力的新方法。其中，Chiplet（芯粒）技術(shù)再次被業(yè)界提上日程。

作為國(guó)內(nèi)一家專(zhuān)注于 Chiplet 技術(shù)開(kāi)發(fā)的公司，北極雄芯信息科技（西安）有限公司（簡(jiǎn)稱(chēng)北極雄芯）自主研發(fā)的一款異構(gòu)集成 AI 智能處理芯片已經(jīng)率先完成了全國(guó)產(chǎn) Chiplet 封裝供應(yīng)鏈的工藝驗(yàn)證。

“區(qū)別于傳統(tǒng)單芯片設(shè)計(jì)模式，Chiplet 通過(guò)將‘大芯片拆分為小芯粒’進(jìn)行生產(chǎn)并集成封裝，可有效提升大面積芯片制造的綜合良率，同時(shí)還可通過(guò) Chiplet 復(fù)用帶來(lái)更為靈活的搭配組合，可以說(shuō)基于 Chiplet 集成的設(shè)計(jì)理念是后摩爾時(shí)代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的一個(gè)重要演進(jìn)方向。”北極雄芯創(chuàng)始人馬愷聲教授告訴「問(wèn)芯」。

圖｜北極雄芯創(chuàng)始人、首席科學(xué)家馬愷聲（來(lái)源：受訪者）

馬愷聲于 2018 年在美國(guó)賓夕法尼亞州立大學(xué)取得計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程博士學(xué)位，同年經(jīng)姚期智院士招募回國(guó)并任職于清華大學(xué)，目前他是清華大學(xué)交叉信息研究院、人工智能學(xué)院的助理教授，博士生導(dǎo)師。

談及創(chuàng)立北極雄芯的初衷，馬愷聲表示，主要是想基于國(guó)內(nèi)尚有差距的供應(yīng)鏈、工藝等做出高性?xún)r(jià)比的系統(tǒng)。“當(dāng)時(shí)我剛進(jìn)入清華大學(xué)交叉信息研究院，成為其中除量子芯片外主攻應(yīng)用芯片研發(fā)的‘第一人’，負(fù)責(zé)提供底層硬件支持。面對(duì)這項(xiàng)任務(wù)，如何才能夠更快速、低成本的開(kāi)發(fā)芯片，同時(shí)還能滿(mǎn)足 AI+ 各行各業(yè)的需求，成了我長(zhǎng)期思考的問(wèn)題。”他說(shuō)道。

后來(lái)，隨著摩爾定律逐漸失效，他開(kāi)始把目光聚焦到 Chiplet 技術(shù)。

據(jù)介紹，Chiplet 也稱(chēng)“芯粒”，其通過(guò)把一整顆 SoC 的功能模塊進(jìn)行解耦，分別設(shè)計(jì)制造采用不同制程工藝的 Chiplet，再借助 2.5D/3D 先進(jìn)封裝技術(shù)集成在一起。“這種異構(gòu)集成的設(shè)計(jì)理念，不僅有助于降低芯片的研發(fā)成本，而且能夠緩解各行業(yè)算力需求方在差異化需求、性能、成本、算法迭代周期、供應(yīng)鏈保障等多方面的痛點(diǎn)。”他指出。

“2021 年，在完成了 AI 加速模塊研發(fā)的基礎(chǔ)上，我們將商業(yè)化運(yùn)作提上日程，正式成立了北極雄芯，基于 Chiplet 技術(shù)研發(fā)芯片，提供低成本、快周期的整體解決方案。”馬愷聲說(shuō)道。

“用小芯片做大芯片，降低設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)門(mén)檻”

實(shí)際上，Chiplet 并不是個(gè)新概念，Chiplet 設(shè)計(jì)理念最早源于 1970 年代誕生的多芯片模組，直到近幾年 Chiplet 技術(shù)才再次被業(yè)界重視。“這項(xiàng)技術(shù)雖然是近幾年才被大眾所了解，但 Chiplet 的概念其實(shí)在很早之前就已經(jīng)被提出來(lái)了。”馬愷聲表示。

在他看來(lái)，Chiplet 架構(gòu)的巨大商業(yè)價(jià)值在于其在“物理極限”和“商業(yè)合理性”中尋求到一個(gè)平衡，將大部分 IP 或子系統(tǒng)以“硅片化”的方式形成芯粒，并將不同芯粒通過(guò)靈活組合并運(yùn)用到各個(gè)行業(yè)實(shí)際場(chǎng)景中，大幅降低量產(chǎn)成本，加快迭代速度。

圖｜圍繞 Chiplet 研發(fā)規(guī)劃（來(lái)源：公司官網(wǎng)）

據(jù)介紹，北極雄芯公司成立三年來(lái)已經(jīng)陸續(xù)完成了一系列 Chiplet 基礎(chǔ)設(shè)施搭建，而自今年以來(lái)，北極雄芯開(kāi)發(fā)的高性能通用 SoC 芯粒、GPU 芯粒，以及自研的 Zeus Gen2 AI 加速芯粒等產(chǎn)品將陸續(xù)交付流片。

“2022 年，我們通過(guò)‘啟明 930 AI Chip’率先完成了 Chiplet 異構(gòu)集成的全流程工藝驗(yàn)證，包括研發(fā)設(shè)計(jì)、流片測(cè)試、基于全國(guó)產(chǎn)供應(yīng)鏈的 2.5D 封裝、AI 工具鏈、模型部署，以及 Chiplet 架構(gòu)下的編譯及數(shù)據(jù)鏈路優(yōu)化等；2023 年，我們自主研發(fā)的 Chiplet 互聯(lián)接口‘PB Link’測(cè)試成功，該接口符合國(guó)產(chǎn)接口標(biāo)準(zhǔn)且自主可控，具備低成本、低延時(shí)、高帶寬、高可靠和兼容封裝內(nèi)外互連等特點(diǎn)。”他說(shuō)道，“截至目前，我們自研的芯粒互聯(lián)接口標(biāo)準(zhǔn)‘PB Link’以及 AI 加速模塊均已實(shí)現(xiàn)對(duì)外授權(quán)。”

業(yè)務(wù)布局方面，“北極雄芯采用‘異構(gòu)集成’的 Chiplet 架構(gòu)，將 SoC 系統(tǒng)解耦為通用型 Hub Chiplet、功能型 Functional Chiplet，并通過(guò)自研 D2D 接口和封裝方案進(jìn)行集成，進(jìn)而形成針對(duì)下游不同場(chǎng)景需求靈活組合的芯片 / 加速卡產(chǎn)品。”他介紹道。

當(dāng)然，圍繞 Chiplet 技術(shù)的開(kāi)發(fā)目前也面臨一系列挑戰(zhàn)。“該技術(shù)的整體思路是將單顆大芯片所需不同模塊在不同工藝制程上分別流片生產(chǎn)并在封裝時(shí)進(jìn)行靈活組合，而挑戰(zhàn)則體現(xiàn)在‘拆、連、封’三個(gè)節(jié)點(diǎn)，分別對(duì)應(yīng)芯片架構(gòu)及設(shè)計(jì)能力、高速互聯(lián)接口方案能力以及先進(jìn)封裝能力。”他指出。

圖｜Chiplet 的拆解與定義（來(lái)源：公司官網(wǎng)）

“首先，圍繞‘拆’節(jié)點(diǎn)，需要兼顧技術(shù)可行性及商業(yè)合理性。我們以下游場(chǎng)景需求為出發(fā)點(diǎn)，統(tǒng)籌考慮性能需求、數(shù)據(jù)交互類(lèi)型以及良率、模塊復(fù)用率等多方面因素定義各塊 Chiplet 的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。在技術(shù)上由 Communication-Aware 芯粒劃分方法學(xué)降低跨芯粒數(shù)據(jù)通信負(fù)擔(dān)；在商業(yè)上通過(guò)內(nèi)部 Chiplet-Actuary 成本模型平衡工藝 - 面積 - 規(guī)格選擇，實(shí)現(xiàn)高性?xún)r(jià)比復(fù)用的 Chiplet 設(shè)計(jì)。”他解釋道。

“對(duì)于‘連’這個(gè)節(jié)點(diǎn)，我們自主研發(fā)了首個(gè)符合國(guó)內(nèi)《芯粒互聯(lián)接口標(biāo)準(zhǔn)》及車(chē)規(guī)級(jí) D2D 接口標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)低延時(shí)的 NoP 互連網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)多顆芯粒高效通信，助力算力與功能的擴(kuò)展。”他介紹說(shuō)。

除此之外，Chiplet 架構(gòu)下多芯粒互聯(lián)對(duì)基板層數(shù)、走線(xiàn)數(shù)量等有較高要求，并且對(duì)封裝也提出了更高的要求。“針對(duì)‘封’的節(jié)點(diǎn)，我們自研的低線(xiàn)數(shù) PB Link D2D 接口滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)基板的層數(shù)要求，促進(jìn)供應(yīng)鏈國(guó)產(chǎn)化；同時(shí)，我們自研的多芯粒與封裝協(xié)同布局設(shè)計(jì)方法學(xué)可助力封裝利用率優(yōu)化；針對(duì) Chiplet 從傳統(tǒng)的單裸片系統(tǒng)到多裸片系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變，我們研發(fā)了高效的封裝設(shè)計(jì)、基于 ANSYS 的芯片 - 封裝聯(lián)仿 Sign-off 流程，在封裝級(jí)確保 Chiplet 系統(tǒng)的流片成功。”他說(shuō)道。

馬愷聲坦言，Chiplet 技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室研發(fā)到芯片規(guī)模量產(chǎn)，整個(gè)過(guò)程有大量環(huán)節(jié)的銜接，最難的是把十余個(gè)小芯粒封裝在一起并部署相應(yīng)的任務(wù)，把芯片跑通是個(gè)非常復(fù)雜的工程，涉及如何在架構(gòu)定義層面進(jìn)行縱向拆解？需要支持哪些算法？IP 如何集成？如何實(shí)現(xiàn)高速互聯(lián)通訊？如何解決供電散熱材料等等一系列難題。“我們聯(lián)合將近十家廠商一起才跑通了啟明 930 芯片，該芯片從研發(fā)，到流片，再到回片，耗時(shí)將近兩半年，此前業(yè)界尚沒(méi)有完整的在國(guó)產(chǎn)供應(yīng)鏈跑通全部流程的先例。”他說(shuō)道。

圖｜啟明 930 芯片（來(lái)源：公司官網(wǎng)）

現(xiàn)階段，北極雄芯圍繞 Chiplet相關(guān)產(chǎn)品涵蓋 IP 級(jí)、芯粒級(jí)以及板卡級(jí)等多個(gè)類(lèi)別。“自從成立以來(lái)，我們專(zhuān)注于發(fā)展完善基于不同工藝節(jié)點(diǎn)的互聯(lián)接口和各類(lèi)獨(dú)立 Chiplet，以期能為各場(chǎng)景芯片設(shè)計(jì)提供 Chiplet 集成開(kāi)發(fā)模式的便利。”他表示。

他接著進(jìn)一步解釋說(shuō)，“Chiplet 架構(gòu)能提供多種不同工藝節(jié)點(diǎn)的芯粒進(jìn)行互聯(lián)，任何芯片設(shè)計(jì)公司均可基于已有的第三方通用型 Chiplet，比如CPU Chiplet、SoC Chiplet、I/O Chiplet等進(jìn)行拓展開(kāi)發(fā)，快速制造出與自身場(chǎng)景需求強(qiáng)關(guān)聯(lián)的定制化芯片。如此一來(lái)，將有助于提升性?xún)r(jià)比、降低開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)、提升產(chǎn)品迭代速度，大幅降低高性能計(jì)算芯片設(shè)計(jì)的門(mén)檻。”

“國(guó)內(nèi)Chiplet產(chǎn)業(yè)發(fā)展路徑及側(cè)重點(diǎn)比海外更多元化”

如今，隨著人工智能爆發(fā)式增長(zhǎng)，以及汽車(chē) / 消費(fèi)電子、數(shù)據(jù)中心等行業(yè)對(duì)于高性能計(jì)算解決方案需求的不斷增加，業(yè)界對(duì)于 CPU Chiplet、GPU Chiplet、Memory Chiplet 等的需求也逐步提升。

據(jù) Market.US 調(diào)研統(tǒng)計(jì)，2023 年全球 Chiplet 市場(chǎng)規(guī)模約 31 億美元，2024 年將達(dá)到 44 億美元，預(yù)計(jì)到 2033 年將達(dá)到 1070 億美元。

圖｜全球 Chiplet 市場(chǎng)規(guī)模（來(lái)源：https://market.us/）

現(xiàn)階段，北極雄芯所開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品主要面向智能駕駛等邊緣側(cè)場(chǎng)景和大模型推理等云邊端部署場(chǎng)景。

細(xì)分來(lái)看，“隨著汽車(chē)智能化逐步向跨域融合、高階自動(dòng)駕駛等方向演進(jìn)，Chiplet 架構(gòu)能夠提供多元化需求的組合方式，降低量產(chǎn)成本，加速產(chǎn)品周期，并且支持下游客戶(hù)共同參與定制化開(kāi)發(fā)，解決汽車(chē)芯片開(kāi)發(fā)投入大、風(fēng)險(xiǎn)高、周期長(zhǎng)、迭代慢等痛點(diǎn)。”馬愷聲指出，“利用 Chiplet 架構(gòu)集成拓展可提升單芯片 / 單卡的峰值算力、存儲(chǔ)容量及帶寬，提高模型處理能力，降低單位算力和單位帶寬使用成本，降低每 Token 的推理成本。”他補(bǔ)充說(shuō)。

圖｜Chiplet 架構(gòu)產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域廣闊（來(lái)源：公司官網(wǎng)）

市場(chǎng)層面，在馬愷聲看來(lái)，國(guó)內(nèi) Chiplet 產(chǎn)業(yè)起步時(shí)間并不明顯晚于海外，但由于國(guó)內(nèi)集成電路產(chǎn)業(yè)鏈成熟度與海外相比有較大差距，市場(chǎng)需求領(lǐng)域也較為差異化，因此國(guó)內(nèi) Chiplet 產(chǎn)業(yè)發(fā)展路徑及側(cè)重點(diǎn)與海外相比更加多元化。

具體而言，“國(guó)內(nèi)高性能計(jì)算的市場(chǎng)需求與海外市場(chǎng)略有不同，除了在 AI、大模型訓(xùn)練等領(lǐng)域所需的通用 GPU 等高性能算力需求外，國(guó)內(nèi)智能駕駛、機(jī)器人等下游市場(chǎng)領(lǐng)域的發(fā)展速度高于海外，應(yīng)用場(chǎng)景深度及廣度均優(yōu)于海外，將帶動(dòng)定制化高性能計(jì)算需求領(lǐng)域的快速增長(zhǎng)，為 Chiplet 提供確定性更高的落地場(chǎng)景。”他說(shuō)道。

“另一方面，國(guó)內(nèi)的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)尚處于發(fā)展期，尤其在當(dāng)今國(guó)際形勢(shì)下亦將長(zhǎng)期處于追趕階段，產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)上與國(guó)際領(lǐng)先技術(shù)水平相比仍有一定差距，國(guó)內(nèi)高性能計(jì)算領(lǐng)域?qū)㈤L(zhǎng)期面臨供需缺口的痛點(diǎn)。”他補(bǔ)充說(shuō)。

近年來(lái)，市場(chǎng)上也有不少陸續(xù)成立的初創(chuàng)公司專(zhuān)注于 Chiplet 芯片設(shè)計(jì)研發(fā)，但其應(yīng)用領(lǐng)域各不相同。“與各家 Chiplet 芯片設(shè)計(jì)企業(yè)相比，我們芯粒產(chǎn)品庫(kù)及應(yīng)用領(lǐng)域更加全面，并且已經(jīng)在業(yè)內(nèi)率先完成了樣片工藝驗(yàn)證，下一步量產(chǎn)開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)大幅降低。”他表示。

作為中國(guó) Chiplet 產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的底層技術(shù)承載主體之一，北極雄芯專(zhuān)注于 Chiplet 技術(shù)研發(fā)，依托國(guó)內(nèi)院校科研能力支撐在產(chǎn)品技術(shù)能力及商業(yè)化落地等方面積累了大量經(jīng)驗(yàn)。“從設(shè)計(jì)、制造、互聯(lián)、封裝、工具鏈等全部跑通，在這件事上我們應(yīng)該是國(guó)內(nèi)第一家。”馬愷聲說(shuō)道。

據(jù)悉，北極雄芯前不久完成了新一輪融資。“融資資金將主要用于首批核心Chiplet流片及封裝測(cè)試，隨著各類(lèi)芯粒的不斷推出，我們將持續(xù)保持在芯粒庫(kù)構(gòu)建上的先發(fā)優(yōu)勢(shì)，率先構(gòu)建國(guó)內(nèi)首個(gè)可獨(dú)立銷(xiāo)售的‘Chiplet 產(chǎn)品庫(kù)’。”馬愷聲說(shuō)道，“接下來(lái)，我們將繼續(xù)按照‘小步快跑’的節(jié)奏，以產(chǎn)品研發(fā)需求為導(dǎo)向，引進(jìn)各方產(chǎn)業(yè)投資。”

“長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，我們致力于 Chiplet 技術(shù)在國(guó)內(nèi)的發(fā)展，基于 Chiplet 技術(shù)降低國(guó)內(nèi)芯片設(shè)計(jì)門(mén)檻，逐步實(shí)現(xiàn)各個(gè)領(lǐng)域的國(guó)產(chǎn)替代。同時(shí)我們還將聯(lián)合 Chiplet 產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟成員制定并共同推廣國(guó)產(chǎn)化的 Chiplet 技術(shù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，建立由中國(guó)企業(yè)主導(dǎo)的產(chǎn)業(yè)生態(tài)，實(shí)現(xiàn)國(guó)家先進(jìn)制造跨越式發(fā)展里程碑。”馬愷聲總結(jié)道。

參考資料：

1.https://www.bjxxtech.net/

2.https://www.bjxxtech.net/html/chiplet/

3.http://www.iiisct.com/chiplet/index.htm

4.https://www.bjxxtech.net/html/cooperate/