完整的Die-to-Die IP解决方案：用例和要求

简介

下一代服务器、AI 加速器和网络片上系统 (SoC) 设计需要越来越强的能力，以满足更快的数据处理和先进人工智能/机器学习工作负载的需求。大规模 SoC 和模块化优势正在推动行业向多晶粒 SoC 的模式转变，它可提供以下一些众所周知的优势：

• 支持超越光罩尺寸的 SoC
• 提高大型 SoC 的产量
• 使流程技术与功能需求保持一致
• 实现模块化，以使用相同的“构建模块”支持不同的用例和产品配置

然而，多晶粒 SoC 给设计师带来了需要克服的新挑战，包括：

• 由于晶粒和封装之间的紧密相互作用，导致设计复杂
• 从 SoC 组装到制造的不同阶段的可测试性支持
• 由于晶粒彼此非常邻近（或重叠）而需要进行复杂的热管理

IP 和设计工具的发展帮助设计人员定义和实施其 SoC 架构。在之前的文章中，我们讨论了重要的“晶粒到晶粒”主题，如主要应用和关注事项、SerDes/并行 PHY 架构的特性以及多晶粒 SoC 的生产测试。我们还讨论了设计流程和先进的 3DIC 设计。

本文讨论的范围超出了晶粒到晶粒 PHY 接口特性和优势，描述了与 SoC 结构的晶粒到晶粒链路、实现需求、链路问题管理和晶粒到晶粒协议栈结构，所有这些对于理解如何在单一封装中实现更加模块化、更灵活、更好良率的多晶粒 SoC 而言都至关重要。

用例和实现要求

对于多晶粒 SoC 设计人员来说，关注以下晶粒到晶粒接口如何对系统性能做出贡献的标准是值得的:

• 链路延迟
• 跨链路的数据一致性
• 可接受的误码率 (BER) 及其控制机制
• 带宽和分支
• 晶粒到晶粒接口协议

以下是几个晶粒到晶粒使用案例：

针对高性能计算 (HPC) 的多晶粒 SoC 的一个常见用例是在同一封装中组装多个同质晶粒，每个晶粒包含一组类似的处理单元，可以是通用 CPU 或 针对 AI 工作负载的专用处理器，以及本地内存和缓存。采用多晶粒方法的原因可能是配置和模块化的灵活性（例如：扩展计算性能），或者是因为单片晶粒太大，无法高效制造（例如：分离 SoC）。

管理链路错误

任何数据传输都存在错误。晶粒到晶粒链路，由于短距离和相对干净的通道特性，相比必须通过不同材料和连接器的较长通道而言，产生的错误要更少。

为了避免因链路错误导致数据损坏，进而对系统运行造成灾难性影响，晶粒到晶粒链路必须实现允许错误检测和纠正的功能。根据系统要求和原始 PHY BER，有两个主要选项可用于检测和纠正传输错误，这些选项可单独使用或结合使用：

• 与错误检测功能结合的重试机制能够纠正所有检测到的传输错误。一个错误检测码，如奇偶校验或循环冗余检查 (CRC) 码被添加到发送的数据，以便接收端可以验证接收的数据，在检测到错误时，请求重新发送数据。
• 前向纠错 (FEC) 是与数据一起传输的更复杂的代码，能够检测和纠正错误位。根据 FEC 算法的复杂度，检测和纠正的错误数量可能更高。只是，FEC 编码和解码的延迟增加了复杂性。

FEC 可以纠正一定数量的错误，而不需要重新传输，但将产生额外的延迟。通常，FEC 用于将 BER 恢复到特定的低概率水平（“可靠链路”），任何未纠正的错误都会触发重传。

根据系统需求和晶粒到晶粒链路配置，不需要 FEC 的原始误码率限制可能会有所不同。有时认为足够的最小限制是 1e-15 BER，对应于在 40 Gbps 下运行的 1 条通道链路每 7 小时重传请求一次。对于具有 10 个通道的复杂系统，重新传输概率与通道的数量成比例地增加，因此将 BER 降低到较低水平的轻量级 FEC 仍然是需要的，这样可以将重传请求之间的间隔保持在合理的高水平上。

晶粒到晶粒协议栈

与其他芯片到芯片链路一样，晶粒到晶粒链路的协议栈可以分割成与开放系统互连 (OSI) 模型栈定义一致的不同协议层，如图 4 所示。PHY 层由物理介质无关 (PMA) 和物理介质相关 (PMD) 组成。PHY 层处理与通道的电气接口。逻辑 PHY 层位于 PHY 层的上方，将 PHY 层的信令特性与链路层隔离，辅助数据流构建和恢复。

链路层管理链路，处理错误检测和纠正机制，保证一个端到端无错误的链路。链路层还处理流控，调节发送方和接收方之间的数据通信量。传输层从应用层接收读写请求，从链路层创建和接收请求包。

晶粒到晶粒连接的特性

晶粒到晶粒链路的特性使其不同于传统的芯片到芯片链路。例如，在封装多晶粒 SoC 时，链路的两端是已知且固定的。因此，晶粒到晶粒链路特性可以提前确定，通过软件或寄存器在开机时进行设置，避免链路发现和协商步骤的复杂性。

另外，期望晶粒到晶粒链路是一个连接两个晶粒的互连结构的简单“隧道”，而没有特定的已定义协议。为减少延迟并保证互操作性，理想的做法是将链接紧密优化，以便与晶粒上互连结构进行操作。例如，Arm Neoverse 平台定义了支持缓存一致性的专用接口，可用于低延迟的晶粒到晶粒解决方案。或者，更通用的应用接口（例如 AXI）可用于附接到任何片上互连结构。

总结

随着 soc 的尺寸越来越大，功能越来越复杂，设计人员正在探索其他选项来优化产量和延迟。发展趋势是在单一封装内集成多晶粒 SoC，实现更好的模块化、灵活性和产量。由于这个原因，实现晶粒到晶粒的接口在不同案例中变得至关重要，例如 SoC 计算能力的扩展、SoC 的分割、聚合多个不同的功能和分解 IOs。设计师必须理解如何实施此类用例，如何定义和验证晶粒到晶粒协议栈中的每一层，以实现更优化和更可靠的晶粒到晶粒链路，以及如何确定目标晶粒到晶粒特性以降低延迟并保证互操作性。

Synopsys 设计和开发了 DesignWare 晶粒到晶粒 IP 解决方案产品组合，来专门满足每个用例的需求。DesignWare® 晶粒到晶粒 IP 产品组合包括可用于 FinFET 工艺的 SerDes 和基于并行的 PHY 以及用于 112G USR/XSR 链路的控制器。

更多资源

• 什么是晶粒到晶粒接口？
• DesignWare 晶粒到晶粒 IP 解决方案
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