異構集成是后摩爾時代的答案嗎？

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2022-03-17 08:44:02 7

異構集成正在成為后摩爾時代延續半導體技術的重要方向，或將成為未來30年系統級芯片的主流技術，推動集成電路進入異構集成時代。但異構集成要打破集成電路傳統“路”的思維，還有很長的路要走。

繞道摩爾定律的重要途徑

目前正處于數字經濟蓬勃發展的時代，高性能計算、云計算和虛擬化、大數據分析等應用快速發展。這一系列的應用場景也會給處理器帶來非常大的工作負載，需要強大算力的支撐。

AMD全球*副總裁、大中華區總裁潘曉明表示，在半導體設計的黃金時代，人們可以通過工藝的進步，降低每個晶體管的成本，同時得到性能的提升。然而現在每進入一個新的節點，都需要更長的時間才能保證工藝的成熟和穩定，新工藝的成本又在顯著增加。這就為人們帶來新的挑戰，需要探討在其他方面做出更多的創新，才能進一步提升處理器性能和算力。異構集成正在成為提升芯片算力的重要發展方向。

那么，什么是異構集成呢？英特爾研究院副總裁、英特爾中國研究院院長宋繼強指出，異構集成是將不同工藝架構、不同指令集、不同功能的硬件組合成一個計算系統。同時，異構集成也是芯片、封裝、系統、軟件的協同。它不是單一的技術點，而是多技術點的綜合，涉及器件、設計、軟件算法等的融合，以實現一個高效的異構系統。

摩爾定律實際上已經成為半導體產業的一面旗幟，但是人們必須擺脫對工藝節點微縮的癡迷才能推動半導體技術持續演進。

對此，中國科學院院士毛軍發指出，現在的半導體技術主要有兩條發展路線：延續摩爾定律和繞道摩爾定律。當延續摩爾定律面臨一系列極限挑戰，包括物理原理極限、技術手段極限和經濟成本極限的時候，繞道摩爾定律就是一種可行的發展方式。而異構集成電路就是繞道摩爾定律的重要途徑之一。

毛軍發強調，研究半導體異構集成的科學意義也很顯著，可以通過集成電路從目前單一同質工藝向多種異質工藝集成方向發展，從目前二維平面集成向三維立體集成方向發展，從而實現高性能的復雜系統。異構集成的特點很突出。一是可以融合不同半導體材料、工藝、結構和元器件；二是采用系統設計理念；三是應用先進技術比如IP和小芯片（Chiplet），具有2.5維或3維高密度結構。因而使得異構集成芯片可以實現強大且復雜的功能，突破單一半導體工藝的性能極限；同時具有靈活性強、可靠性高、研發周期短，可實現小型化、輕質化等特點。

國際大廠紛紛推出異構集成技術

正因為具有這些優點，異構集成已經成為后摩爾時代半導體技術發展的主要路線，越來越多主流廠商給予高度重視。在今年的Computex（臺北電腦展）上，AMD就發布了一款實驗性的產品Ryzen 5000，其采用臺積電的3D Fabric先進封裝技術，成功地將包含有64MB L3 Cache的chiplet以3D堆疊的形式與處理器封裝在一起。據AMD介紹，該技術可以提高超過2D芯片200倍的互聯密度，與現有的3D封裝解決方案相比，互聯密度也可達到15倍以上。

基于異構集成技術的發展，英特爾則提出XPU的概念。宋繼強表示：“對于英特爾而言，我們推動異構計算的創新，就是通過對不同架構XPU的異構整合，和統一的跨架構編程模型oneAPI實現軟硬協同，滿足更多工作負載，實現高能效比，幫助客戶降低成本，并能根據需求快速給出解決方案。”

在去年“架構日”上，英特爾在EMIB（嵌入式多芯片互連橋接）2D封裝、Foveros 3D封裝，以及結合2D和3D的CO-EMIB技術基礎上，又推出了Hybrid Bonding（混合結合）技術。通過電氣連接獲得更高的載流能力，加速實現10微米及以下的凸點間距，為異構介質帶來更高的互連密度、帶寬和更低的功耗。

不僅僅是英特爾與AMD，國際芯片龍頭廠商包括英偉達、高通、賽靈思等都對異構集成技術非常重視。國內方面，紫光展銳、北京君正、中星微電子等企業也在積極展開對異構集成的研究與開發，并推出相關產品與解決方案。紫光展銳新推出的唐古拉T770就集成了4核ARM A76、4核ARM A55、Mali-G57GPU以及基帶芯片等，是異構集成的典型應用。

需要打破傳統“路”的思維

盡管異構集成的發展前景十分廣闊，但是想要真正實現起來也并非易事。毛軍發強調，由于不同性能、功能的介質緊密耦合，往往相互矛盾，因此在異質電路設計時，要解決電磁-熱-應力，多物理協同設計，以及有源/無源電路天線、數字/模擬電路的多功能協同設計問題。在工藝制造方面，異構集成工藝參數調整也會受制于電、熱、應力多物理場特性的影響，必須認識其內在關系，掌握工藝量化設計與優化機理。

宋繼強也認為，異構集成在硬件方面需要打破單一架構，多架構融合的XPU架構將會成為主流。XPU架構的誕生，對軟件提出了更高的要求，因為能夠同時掌握多種架構編程語言的開發人員鳳毛麟角，而軟件是釋放硬件性能的關鍵一環，能夠跨架構編程的軟件模型以及可以提升編程效率的工具就顯得極為重要。

英特爾曾提出六大技術支柱，對XPU的實現起到了關鍵作用，包括制程、架構、內存、互連、安全和軟件。異構計算雖然看似一個硬件層級的內容，但要釋放其能力，需要芯片、系統、軟件三層一體化考慮，才能夠發揮作用。一是芯片層，指在芯片封裝內的異構，和“小芯片”概念緊密相聯；二是系統層，指多功能多架構的計算架構進行整合；三是軟件層，統一的跨架構編程模型oneAPI，可以通過一套軟件接口、一套功能庫為開發者提供在不同架構上編程的便利性。

面對異構集成的發展，毛軍發提出了總體研究思路，即打破集成電路傳統“路”的思維，以耦合多物理場理論為基礎，以形成異構集成能力為牽引，場、路結合，統領半導體異構集成電路的技術方向。

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