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小晶片(Chiplet)入門指南：多晶粒設計的 8 大最佳做法
半導體世界正在快速變化，尤其是人工智慧(AI)的爆炸性成長，以及對更高處理效能和能源效率持續不斷的需求。傳統的系統單晶片(SoC)設計方法在尺寸和成本方面已達到極限。多晶粒設計應運而生，SoC被拆分成多個晶粒，即小晶片，這些小晶片被整合到單一封裝中，進而突破這些限制。
以小晶片為基礎的設計帶來許多好處。透過將運算、記憶體和輸入/輸出功能拆分，可協助提高AI和高效能運算(HPC)應用的運算容量。而藉由將大型晶片分解成更小、針對量產最佳化的元件，改善汽車和邊緣人工智慧(edge AI)應用的良率和可靠性。並且，經由在單一封裝內靈活地重新配置小晶片組合，實現新產品的快速交付。
多晶粒設計入門指南
本指南提供成功進行多晶粒設計的必要資訊，涵蓋其優勢和驅動因素，以及新專案的關鍵考量和指南。
小晶片的最佳做法
對於考慮採用基於小晶片方法的人來說，以下是八個最佳做法：
1. 從聰明的系統分區開始
首先將系統設計分解成幾個功能區塊，例如運算、記憶體和輸入/輸出，並確定哪些功能應作為個別的小晶片存在。為高效能元件選擇最先進的製程節點，同時為要求較低的區塊選擇經過驗證且具成本效益的節點。在整個過程中，仔細平衡速度、功耗和整體系統效率之間的權衡取捨。此外，透過選用可支援未來升級或變更的標準和介面，來規劃可擴展性。
2. 為每個小晶片選擇最佳製程節點
並非每個功能都能從最新的技術中同等地受益。舉例來說，記憶體的縮放效率可能不如邏輯電路，因此在沒那麼先進的節點上製造記憶體小晶片可以降低成本，而不會影響效能。在整合小晶片時，考量它們是應該堆疊成 3D 配置以實現更低的延遲和功耗，還是並排放置在 2.5D 排列中以便於實現。
3. 仔細規劃晶粒對晶粒的連接
選擇合適的介面對於小晶片之間的無縫通訊非常關鍵。如通用小晶片互連(UCIe)這樣的產業標準，已日益成為晶粒對晶粒連接的熱門選擇。在設計晶片時必須將設計的連接頻寬與系統所需的資料吞吐量做匹配，並同時考量主要資料和邊帶(sideband)控制資料。此外，透過仔細規劃小晶片在封裝中的放置和互連方式，最佳化實體佈局，確保設計符合目標尺寸和形狀。由於實體佈局的差異，晶粒對晶粒介面的可用「邊緣空間」(beachfront)可能會有所不同，因此需要不同的介面配置。不要忘記優先考慮散熱管理，在單一封裝中放入多個小晶片可能會產生熱點，因此在設計時必須納入足夠的冷卻和散熱措施。
4. 瞭解先進封裝的選項
選擇適當的封裝技術是達成設計目標的關鍵，選項從傳統的有機基板到可支援更高密度和效能的先進中介層(interposer)都有。從封裝尺寸和整體成本來考量，因為先進封裝解決方案通常提供更強大的功能，但也可能更昂貴且實現過程更複雜。確保在開發時程中能充分進行測試和良率管理，每個小晶片都應單獨測試，以保證只選擇已知良好晶粒(known good dies; KGDs)進行最終組裝。在晶粒對晶粒介面中加入冗餘和修復功能，可以提高組裝、測試和生產過程中的封裝良率。此外，仔細監控供應鏈，以確保所有小晶片元件和封裝材料的採購都是可靠的。
5. 設計時將安全性納入考量
安全性應該是所有以小晶片為基礎的系統的根基。確保每個小晶片都經過驗證，並由信任根(Root of Trust, RoT)進行錨定，以防止未經授權的存取並安全地管理金鑰，特別是在多租戶環境中。小晶片之間的資料傳輸應使用加密和安全通訊協定予以保護。同時，規劃安全啟動程序，以防止硬體和軟體層級的篡改。
6. 投入系統級設計與驗證
早期且頻繁的系統級模擬和硬體輔助驗證可以幫助在硬體建置之前就掌握整合問題，從而節省寶貴的時間和資源。硬體和軟體協同設計，以加速開發並改善上市時程。建立針對個別小晶片和最終封裝系統的穩健測試計畫也很重要，以確保可靠性和效能。像分層測試等的新方法，有助於評估個別小晶片，並在多晶粒設計中組裝後驗證其效能。此外，投入系統層級的熱建模和串擾分析也很重要，以便準確評估最終產品中多晶粒之間的交互作用。
7. 專注於控制與管理系統
許多小晶片，特別是在資料中心環境中，可受益於專用的控制和管理系統。這些系統有一個 CPU，用於管理初始化、低速周邊設備和信任根(Root of Trust, RoT)等安全功能。它們還可以透過收集、彙整和傳播遙測資料，幫助提高晶片可靠性、可用性和可維護性(RAS)。
8. 善用生態系統合作夥伴和專業知識
由於小晶片技術和方法仍然相對較新且還在持續發展中，有必要與經驗豐富的合作夥伴合作。業界領導者如新思科技等除了提供經過矽驗證的IP 解決方案外，還提供設計服務和封裝指導。這些 IP 解決方案正與 Arm 運算子系統(CSS)整合，以進一步加速小晶片開發並降低風險。隨時瞭解最新的小晶片標準也很關鍵。像是UCIe聯盟和JEDEC等產業團體提供關於小晶片技術最新發展的寶貴更新和資源。而imec和ASRA等組織則正在為汽車產業制定專門的提案和小晶片指南。
發揮基於小晶片的設計優勢
基於小晶片的設計為建構下一代高效能系統提供一條靈活且可擴展的路徑。透過遵循這些最佳的做法，設計團隊可以有效因應複雜情況，並充分發揮基於小晶片方法的優勢。從概念到產品全面性小晶片開發過程中，建議與熟悉從矽晶到系統整合全流程的專家合作，獲得全方位的指導與支持。