3月3日，全球知名芯片制造商Intel、臺積電、三星聯(lián)手芯片封測龍頭日月光，攜AMD、ARM、高通、谷歌、微軟、Meta等科技行業(yè)巨頭推出了一個全新的通用芯片互連標準：通用小芯片快連（UCle）。

該協(xié)議專為小芯片（chiplet）而設置，旨在為小芯片互連制定一個新的開放標準，簡化相關流程，并且提高來自不同制造商的小芯片之間的互操作性。

該標準下，芯片制造商可以在合適的情況下混合構建芯片。

什么是小芯片？SoC的掘墓人，摩爾定律的“續(xù)命丹”

近年來，隨著探索先進制程工藝的成本不斷提高，摩爾定律日漸走向失效。芯片制造行業(yè)的頭部廠商一直都在延續(xù)摩爾定律的道路上艱難求索。而小芯片，就是這其中的一條道路。

摩爾定律逐漸失效的原因是光掩模限制了單個芯片的最大尺寸，芯片制造商和設計者不得不用多個芯片來實現(xiàn)功能。有些情況下，甚至是多個芯片提供相同的功能。這要求芯片必須完成小型化。

此前廠商一直使用SoC（片上系統(tǒng)）技術組合不同的模塊。這種技術的優(yōu)勢在于提高模塊之間通信速度的同時，還能夠做到低功耗、低成本。但近年來突破先進制程工藝的難度和成本都在不斷上升。

一方面，技術突破已經(jīng)變得尤為艱難，在芯片制造領域深耕多年的Intel，也在7nm制程技術上遭遇瓶頸。而目前掌握5nm制造技術的三星日前也遭曝光產品良率造假。

同時，探索先進制程的成本也在不斷上升。根據(jù)IBS首席執(zhí)行官Handel Jones的說法，設計3nm的芯片成本以及達到了5.9億美元，而此前，設計一個28nm的芯片平均成本僅為4000萬美元。

小芯片，顧名思義，就是用多個小芯片封裝在一起，用die-to-die（裸片對裸片）內部互連技術，組成異構芯片。

由于小芯片的單體更小，每片圓晶的利用率得以提高，從而降低成本。并且，由于封裝了多個小芯片，可以根據(jù)需要進行靈活組裝，從而降低功耗。

“大餅”逐漸落地，小芯片“野蠻生長”

如今，小芯片技術已經(jīng)開始從理論走向實踐，在一些頭部廠商的帶領下真正應用到芯片的設計和制造中。當初小芯片技術畫下的名為“用搭積木的方式造芯片”的大餅，如今已經(jīng)離實現(xiàn)越來越近。

AMD在2019年發(fā)布的Ryzen3000系列中部署了基于小芯片技術的Zen2內核；Intel則發(fā)布了集成了47個小芯片的Ponte Vecchio。

我們可以看到，無論是將單片CPU拆分，還是將大量小芯片集成封裝，小芯片技術都已經(jīng)走出實驗室，應用到了實際生產中。

但小芯片技術要走向成熟，還需要面對諸多挑戰(zhàn)。

在小芯片技術中，各裸片互連必須考慮到互連接口和協(xié)議。在設計中必須要考慮到工藝制程、封裝技術、系統(tǒng)集成、擴展等諸多復雜因素。

同時，還需要滿足不同領域對信息傳輸速度、功耗等方面的要求。這使得小芯片的設計過程變得非常復雜，而其中橫在小芯片面前的最大難關來自于沒有統(tǒng)一的協(xié)議。

Marvell曾經(jīng)在2015年推出了MoChi架構這一小芯片模型。此后Marvell就陷入了選擇接口的困難中。

根據(jù)Marvell的網(wǎng)絡CTO Yaniv Kopelman說，由于不想堆高封裝成本或是被單個供應商綁定，他們不想使用內插器或者InFO類型的封裝。

另外，使用小芯片的時候必須在中間劃分IP，但在哪里劃分以及如何開發(fā)架構也對最終產品的實現(xiàn)提出了挑戰(zhàn)。

Yaniv Kopelman總結到：“在演示中構建IP很容易，但從演示走向生產還有很長的路要走。”

在過去五年內，小芯片一直是芯片設計行業(yè)中一顆耀眼的新星。越來越多的廠商開始使用小芯片，這使得它越來越普遍。制造商們希望小芯片解決芯片制造目前面臨的制造成本、擴展性等多方面的問題。

但由于缺少統(tǒng)一的標準，小芯片此前的協(xié)議如同混亂的“春秋戰(zhàn)國”。這樣的情況下，芯片制造商們無法實現(xiàn)他們的終極構想：連通不同架構、不同制造商生產的裸片，根據(jù)不同場景進行定制。

“春秋戰(zhàn)國”終結，UCle1.0只是開始

小芯片技術一直在呼喚一個統(tǒng)一的標準。

Intel擁有高級接口總線技術（AIB），這是一種芯片到芯片的PHY級標準，采用模塊化設計，具有IP模塊庫。并且，Intel免費提供了AIB接口許可，以推廣小芯片生態(tài)。

同時能夠在小芯片上使用的并行接口標準還有臺積電的LIPINCON、OCP的BoW等。

僅僅是物理層中的并行接口標準，就已經(jīng)如此多樣，這給制造廠商帶來不小麻煩，使得小芯片生態(tài)始終難以推廣。

芯片行業(yè)正集體呼喚一個能夠使小芯片終結“春秋戰(zhàn)國”時代，做到“車同軌，書同文”的統(tǒng)一標準。

Intel似乎一直是都是那個最有機會掃清小芯片發(fā)展障礙的公司。Intel新任總裁Pat自2021年上任以來一直強調Intel要走IDM2.0的道路，在芯片制造上繼續(xù)深耕的同時還要具有更高的開放性，這正好與小芯片技術的理念不謀而合。

在2月18日的Intel投資者大會上，Intel宣布將為選擇其旗下IFS服務代工的客戶提供x86架構和其他類型內核混搭的可能性，這以一過程中可能就會用到小芯片技術。

同時Intel還在該大會上披露正在致力于打造一個“開放、可選擇、值得信賴”的開放生態(tài)圈。這一藍圖似乎就是如今Intel牽頭制定的UCle1.0標準的伏筆。

實際上，UCle1.0標準的初始版本就來自Intel，該標準一定程度上借鑒了Intel曾經(jīng)提出的AIB標準。

如今這個巨頭們共同站臺的UCle1.0標準帶來的并不是技術革新，而是技術的標準化。這使得各廠商在使用小芯片時終于有了共同的規(guī)則。

UCle規(guī)范包括了物理層和協(xié)議層。在物理層上規(guī)定了小芯片之間互相通信的電氣信號標準、物理通道數(shù)量和支持的凸塊間距。而在協(xié)議層上該規(guī)范定義了覆蓋在這些信號上的更高級別協(xié)議。這一規(guī)范將使得所有在設計和制造中遵守它的小芯片能夠互連。

UCle1.0根據(jù)復雜度的不同設計了“標準封裝”和“高級封裝”兩個級別的標準。

“標準封裝”為使用傳統(tǒng)有機襯底的低帶寬器件設計，這些部件將使用16條數(shù)據(jù)通道、遵循100μm+的凸塊間距和擴展通道長度。這實際上就是在非常近的距離上在一個當代PCle鏈路中鏈接兩個設備。

“高級封裝”中則涵蓋了EMIB和InFO等技術。并要求25μm~55μm之間的凸塊間距，同時由于更高的密度和更短的通信范圍，數(shù)據(jù)通道的數(shù)量將是標準封裝的四倍。如果使用這種標準，每秒可在1mm芯片邊緣通過的數(shù)據(jù)量可以達到1.3TB。

不僅如此，UCle實際上還可以在小芯片以外找到自己的舞臺。實際上，雖然UCle的重點是為小芯片提供片上互連的統(tǒng)一標準，但該標準中包含了外部互連的規(guī)定。

只要芯片制造商愿意，該規(guī)范允許使用重定時器在協(xié)議級別完成更遠距離的傳輸。雖然這使得延遲和功率隨著距增加，但UCle的推廣者設想服務器用戶可能需要這種長距離上的小芯片互連。

雖然UCle1.0規(guī)范的出現(xiàn)終于解決了困擾在小芯片領域很長時間的規(guī)范混亂問題，但它仍然只是一個開始。

有人將這一標準稱為“起點標準”，這是由于該標準指定義了小芯片設計中的物理層和協(xié)議層，這僅僅是小芯片設計中四個方面中的兩個。

行業(yè)龍頭們仍然在尋求小芯片形狀要素等方面的統(tǒng)一，以真正實現(xiàn)構建可混合搭配的小芯片生態(tài)系統(tǒng)。

另一方面，UCle1.0標準基本只針對2D和2.5D芯片封裝做出了定義，而更先進的3D封裝相關標準還需要等待更新。

UCle聯(lián)盟的成員們將要開發(fā)下一代UCle技術，新協(xié)議將會更加完善。

雖然UCle聯(lián)盟已經(jīng)匯集了在芯片設計和制造領域的幾大龍頭，可以稱得上是群星薈萃。但要想這一標準走的更遠，以至于實現(xiàn)芯片制造商們搭建完善的小芯片生態(tài)的構想，還需要更多人參與到這一聯(lián)盟的建設中來。