芯片堆疊的“蘋果方式”和“華為方式”

在今年3月份的蘋果春季發(fā)布會(huì)上，一款被稱為“最強(qiáng)芯片”的M1 Ultra橫空出世，讓很多消費(fèi)者驚訝于蘋果“雙芯合一”的新打法。根據(jù)蘋果的介紹，這款M1 Ultra芯片并非全新設(shè)計(jì)，而是將兩枚M1 Max中隱藏的芯片間互連模塊(die-to-die connector)通過蘋果自研的“Ultra Fusion”架構(gòu)整合在一起，成為一個(gè)新的芯片。簡(jiǎn)單來說，M1 Ultra就是直接由兩顆M1 Max內(nèi)部互連而成，所以M1 Ultra擁有20核CPU、64核GPU，其各項(xiàng)規(guī)格均是M1 Max芯片的兩倍。當(dāng)然性能加倍的同時(shí)面積也翻倍。0R3esmc

當(dāng)時(shí)，蘋果M1 Ultra的制造方式就讓很多人想起了“傳聞”中華為海思的一項(xiàng)“芯片疊加技術(shù)”。即一顆主芯片由芯片1和芯片2組成，芯片1和芯片2之間持續(xù)同步信號(hào)傳輸，再將芯片傳輸?shù)街餍酒?span style="display:none">0R3esmc

3月底，時(shí)任華為輪值董事長(zhǎng)的郭平在2021年業(yè)績(jī)說明會(huì)上表示，“華為未來將投資三個(gè)重構(gòu)，用堆疊、面積換性能，用不那么先進(jìn)的工藝也可以讓華為的產(chǎn)品有競(jìng)爭(zhēng)力。”也就是說，華為可以通過增大面積，堆疊的方式來換取更高的性能，實(shí)現(xiàn)低工藝制程追趕高性能芯片的競(jìng)爭(zhēng)力。此次表態(tài)證明，華為在芯片領(lǐng)域已經(jīng)有了明確的目標(biāo)和打法。0R3esmc

4月初，華為公布了一個(gè)關(guān)于芯片封裝部分的技術(shù)專利。該項(xiàng)專利申請(qǐng)?zhí)峁┝艘环N電子設(shè)備、芯片封裝結(jié)構(gòu)及其制作方法，該芯片封裝結(jié)構(gòu)包括：基板、至少一個(gè)橋接板以及至少兩個(gè)第一芯片。5月，華為又公開了一項(xiàng)名為“芯片堆疊封裝結(jié)構(gòu)及其封裝方法、電子設(shè)備”的專利，該專利用于解決如何將多個(gè)副芯片堆疊單元可靠的鍵合在同一主芯片堆疊單元上的問題。至此，華為的“芯片疊加技術(shù)”算是正式現(xiàn)身了。這項(xiàng)專利提交申請(qǐng)的時(shí)間是2019年，也證明了華為確實(shí)在芯片受到制裁的同時(shí)沒閑著，找到了一種解決“無芯可用”的新方法。0R3esmc

不過值得一提的是，與上面提到的蘋果M1 Ultra芯片直接水平拼接的方式不同，華為采用上下堆疊的方式，同時(shí)將兩枚芯片各保留一端的接口與外界連接。這樣就使得華為的堆疊芯片比單個(gè)芯片更厚，但面積不至于是單個(gè)芯片的兩倍。0R3esmc

為什么要采用芯片堆疊？

其實(shí)芯片堆疊并不是一個(gè)新鮮的詞。0R3esmc

在整個(gè)半導(dǎo)體行業(yè)戈登摩爾提出的摩爾定律幾乎被認(rèn)為是“金科玉律”，引領(lǐng)了近50多年來半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展。但近些年，越來越多的行業(yè)人士開始擔(dān)心摩爾定律將走向終結(jié)。突破摩爾定律或給摩爾定律續(xù)命成為很多芯片行業(yè)尖端人才關(guān)注的問題。0R3esmc

其中SiP（System-in-Package)系統(tǒng)級(jí)封裝技術(shù)是被認(rèn)為是一種超越摩爾定律的路線。資料顯示，SiP采用對(duì)不同芯片進(jìn)行并排或疊加的封裝方式，將多個(gè)具有不同功能的有源電子元件與可選無源器件，以及諸如MEMS或者光學(xué)器件等其他器件優(yōu)先組裝到一起，實(shí)現(xiàn)一定功能的單個(gè)標(biāo)準(zhǔn)封裝件。這種方式具有開發(fā)周期短、功能更多等優(yōu)點(diǎn)。0R3esmc

蘋果M1 Ultra則是利用這種堆疊方式將兩個(gè)一樣的芯片通過技術(shù)連接進(jìn)行封裝，從而達(dá)到性能的翻倍。在目前芯片工藝水平發(fā)展接近極限的情況下，堆疊設(shè)計(jì)的方式不失為一種好的選擇。0R3esmc

另外若從華為自身角度來看，在高端芯片受到制裁的情況下，通過芯片堆疊或許可以醞釀出高端芯片。就像華為自己說的，“甚至可以讓14nm芯片經(jīng)過優(yōu)化后比肩7nm性能。”此外，在芯片堆疊方面先進(jìn)的光刻機(jī)設(shè)備并不是必要，華為也不會(huì)受到技術(shù)卡脖子的遭遇。0R3esmc

那么芯片堆疊的效果怎么樣？

其實(shí)蘋果M1 Ultra芯片的問世已經(jīng)證明了“芯片堆疊”技術(shù)的可行性，不過這顆芯片的效果卻也讓人產(chǎn)生質(zhì)疑。PassMark天梯榜數(shù)據(jù)顯示，M1 Ultra典型功耗高達(dá)60W，烤機(jī)功耗最高達(dá)到180W。所以華為堆疊芯片雖然還未正式生產(chǎn)，目前來看仍面臨兩個(gè)問題，即手機(jī)內(nèi)的空間設(shè)計(jì)和厚度增加功耗增加所帶來的散熱問題。0R3esmc

根據(jù)此前爆料，華為芯片堆疊專利公開可能意味著華為已經(jīng)完成了基礎(chǔ)測(cè)試和實(shí)驗(yàn)測(cè)試，堆疊芯片成品會(huì)在18個(gè)月內(nèi)與消費(fèi)者見面，效果如何還是要用產(chǎn)品說話。0R3esmc

芯片堆疊是后摩爾時(shí)代的未來？

可以預(yù)見“芯片堆疊”技術(shù)確實(shí)是有在芯片制造領(lǐng)域成為趨勢(shì)的可能性，畢竟蘋果、華為兩大巨頭均已有所探究。0R3esmc

今年3月初，英特爾、AMD、ARM、Google Cloud、Meta、微軟、高通、三星、臺(tái)積電等聯(lián)合宣布成立行業(yè)聯(lián)盟，以建立小芯片生態(tài)系統(tǒng)，制定小芯片互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范“UCIe”。小芯片的原理其實(shí)是將多張低制程，小規(guī)格芯片組合使用，從而實(shí)現(xiàn)到高制程芯片的轉(zhuǎn)變。這個(gè)過程也是在踐行芯片堆疊的理念。在中國也有計(jì)算機(jī)互連技術(shù)聯(lián)盟CCITA，該聯(lián)盟立項(xiàng)了Chiplet標(biāo)準(zhǔn)，即《小芯片接口總線技術(shù)要求》。0R3esmc

芯片堆疊或許是后摩爾時(shí)代芯片行業(yè)發(fā)展的一個(gè)可選方向，但是不是最優(yōu)解還需要在實(shí)踐中檢驗(yàn)。0R3esmc