在單個封裝內集成多個芯片越來越多地被視為擴展摩爾定律的下一個演進，但它也帶來了無數的挑戰——特別是在實現集成來自不同供應商的即插即用小芯片的普遍接受的標準方面。

“在某些方面，人們已經在這樣做了，”英特爾高級研究員兼UCIe聯盟主席 Debendra Das Sharma 說道。“他們將多個芯片放在同一個封裝上，我們幾十年來一直在這樣做，追溯到多芯片模塊(MCM)。如果你看看我們今天的主流 CPU，它們都是同一封裝上的多個芯片。”

然而，當這些芯片具有不同的功能或來自不同的供應商或代工廠時，將多個芯片組合在一個封裝中就會變得更加復雜。這就是像 UCIe 這樣的標準變得必要的地方。

“對于市場上的大多數多芯片產品，同一家公司正在設計和提供多個芯片，因此他們確切地知道它們如何相互通信以及如何劃分或劃分芯片，”Amkor產品營銷和業務開發高級總監Vik Chaudhry 說。“這使得理解一方如何與另一方交談變得更容易一些。UCIe 試圖做的是標準化多個供應商之間的互連。”

雖然其他協議（例如 Bunch of Wires (BoW)）近年來取得了重大進展并且仍在開發中，但 UCIe 因其得到許多最大的芯片制造商的支持以及對所有主要封裝技術（包括有機基板、硅、中介層和 RDL 扇出）的支持而脫穎而出。

但向 UCIe 兼容性的轉變不僅僅需要在芯片創建過程中事后考慮。它需要從根本上轉變回繪圖板，其中兼容性必須被視為芯片的一個組成部分，而不是作為一種權宜的解決方案進行改造。隨著該標準的發展，越來越明顯的是，為了讓小芯片真正擁抱 UCIe，必須從頭開始重新構思其設計藍圖。

“UCIe 是一種布局，”Chaudhry說。“它是設計出來的。但請記住，這些小芯片可以來自不同的晶圓廠節點。第一個可能是 5nm，另一個可能是 3nm，第三個可能是 14nm。您必須以某種方式將這些芯片連接在一起。您需要在運行路線的空間大小方面保持兼容，這就是 UCIe 正在解決的問題。”

向 UCIe 的過渡不僅僅是不同供應商適應新標準。它需要整個行業的制造商愿意將其設計和生產流程與通用協議保持一致，而該協議在許多方面仍在進行中。

雖然人們普遍認為小芯片加先進封裝代表了摩爾定律擴展的下一個演變，但缺乏完整定義的標準，再加上與現有技術集成的不確定性，意味著對 UCIe 新設計的投資目前僅限于市場上最大的參與者。

“任何時候在基板或中介層上放置多個芯片都充滿挑戰，”Chaudhry 補充道。“當我們看到人工智能出現時，我們看到許多供應商在一個芯片上放置多個芯片，不僅僅是 3 或 4 個芯片，而是 8、10 或 12 個芯片。隨著同一中介層或基板上的芯片越來越多，復雜性呈指數級增長。您還必須測試兩者之間的所有內容，這會增加復雜性和成本。這對任何人來說都是一個巨大的挑戰，目前世界上只有少數公司有能力投入這些資源和費用來組建一條生產線。”

此外，UCIe 的采用仍然必須克服可擴展性、與現有系統的兼容性以及確保成本影響不超過收益方面的重大障礙。

小芯片的演變

大型芯片制造商至少在最后幾個工藝節點上受到光罩區域尺寸的限制，這極大地限制了平面 SoC 上可填充的功能數量。如今，隨著節點縮小變得越來越昂貴且更具挑戰性，可用的最佳解決方案是將 SoC 分解為單獨的塊或小芯片。

“一旦芯片變得非常大，你就會遇到光罩的限制，”英特爾的 Das Sharma 說道。“在那里你會看到很多人部署小芯片。基本上是將多組芯片封裝在一起以提供一組特定的功能。”

以每秒 50 Tb 的開關為例，這正在挑戰光罩尺寸的極限。人們越來越需要剖析這些芯片的功能并將其分布到多個組件中。無論是 I/O、內存還是 SRAM，關鍵在于戰略性地將 SoC 分解為更小的單元。這不僅使制造過程更加可行，而且還為更加創新和高效的設計架構打開了大門。

它還提供了一些直接的好處。較小的芯片比較大的芯片產量更高，這就是為什么 Xilinx 在 2012 年將其 28nm FPGA 分成四個不同的芯片，并通過中介層連接。它還提供了增長空間，因為各個小芯片仍然遠低于掩模版極限。

但所有早期的實現都是同質的。它們都是由同一供應商使用相同的工藝技術開發的。先進封裝的一大好處是能夠將異構小芯片組合在同一封裝中，從而允許在任何有意義的工藝節點上開發模擬電路和不太重要的功能。這是當今大型芯片制造商、代工廠和 OSAT 面臨的挑戰，而且這一挑戰尚未得到完全解決。

盡管如此，芯片行業在一件事上達成了共識。需要有一種通用方法將所有這些小芯片連接在一起，這就是 UCIe 的用武之地。

UCIe 標準

對支持 UCIe 的電氣特性達成共識就像用多種樂器編排一首交響樂，每種樂器都有自己的聲學特征。確保來自行業不同角落的小芯片能夠有效地連接和通信，需要彌合電壓電平、信號時序和配電方面的差距。

2022 年 3 月，UCIe 聯盟發布了 UCIe 1.0，其中包括標準化物理芯片到芯片接口的規范，旨在促進小芯片之間的無縫通信，無論它們是在哪里制造或由誰制造的。這些規范涵蓋了關鍵方面，例如電氣特性、物理尺寸以及確保不同芯片組件之間的兼容性和高效數據傳輸所需的協議。

“在 45 微米的先進封裝中，這個數字相當驚人，”Das Sharma 說道。“以每秒每平方毫米 188 GB 為起點，最高可達每秒每平方毫米 1.35 TB。人們甚至很難吸收并處理這種帶寬。”

UCIe 1.0 使用分層協議方法。物理層是協議棧的基礎，專門用于定義和管理電子信號，例如時鐘同步和鏈路訓練，同時還納入了小芯片之間非數據交互所必需的邊帶通信通道。

UCIe 機制的核心是 Die-to-Die (D2D) 適配器。這個關鍵接口充當看門人，管理鏈路狀態并促進小芯片的協商參數，這對于建立可靠的小芯片通信至關重要。它可以選擇通過循環冗余校驗 (CRC) 和鏈路級重試功能等機制來擴展數據完整性的保護。這不僅保證了高速數據傳輸的準確性，還通過提供仲裁系統來協調不同的小芯片協議，使多個芯片能夠有效地交互。

“UCIe 在這方面非常靈活，”Chaudhry 說。“它支持 PCIe 協議、XML 協議或流媒體，因此您可以決定要支持哪種協議。它支持不同的數據速率。這是每個人都會支持的最低公分母。如果您采用 3nm 工藝，則可以支持更高的數據速率，但如果另一個小芯片位于不同的工藝節點，那么這兩個部分都將支持規范的基本最低公分母，然后您可以討論就這一點。”

UCIe 還采用了緩解互連缺陷的策略，例如固定故障和信號不連續性。UCIe 內的規定包括實施輔助通道，提供一種在主通道發生故障時保持連接的方法。這種冗余通過提供容錯和修復途徑來幫助維持系統功能。

UCIe 本身還支持 PCI Express (PCIe) 和 Compute Express Link (CXL) 等現有標準，通過利用這些完善的協議確保在整個行業引起廣泛的共鳴。UCIe 的分層方法還包含全面的使用模型。

2023 年 8 月，該聯盟發布了 UCIe 1.1 版本，將可靠性機制擴展到更多協議并支持更多使用模型。這些增強不僅僅是增量的。它們面向汽車等關鍵領域，而汽車領域則傾向于小芯片。

從 UCIe 1.0 到 1.1 的演變顯而易見的一個關鍵領域是該標準的預防性監控功能。UCIe 1.1 通過新的寄存器擴展了協議，這些寄存器旨在捕獲詳細的眼裕度信息（查看寬度和高度），從而提供標準化的報告格式和主動鏈路運行狀況監控。UCIe 1.1 沒有重新發明輪子，而是利用 1.0 版本中現有的周期性奇偶校驗 Flit 注入機制，通過新的錯誤日志寄存器增強錯誤檢測和報告功能。反過來，這可以改進對鏈路修復必要性的評估。UCIe 1.1 還提供了合規性測試的增強功能。

另一個值得注意的方面是新用途的出現，特別是流協議。UCIe 1.0 對此類協議的支持僅限于原始模式，而 UCIe 1.1 將 FDI 接口上芯片到芯片 (D2D) 適配器的實用性擴展到流協議。此擴展可實現 CRC 重試電源管理功能的混合，并促進多種協議的共存。

UCIe 1.1 還考慮了先進封裝解決方案的成本優化，以應對不斷縮小的凸點間距和 3D 集成的出現。UCIe 1.1 中引入的額外列排列為混合匹配模具創造了更廣泛的機會。

“在小芯片環境中，芯片彼此非常接近，而且海岸線（shoreline）非常有限，”Chaudhry 說。“連接芯片的空間有限，而引腳數量如何連接、彼此面對，這變得至關重要。這是 UCIe 正在解決的一件事。引腳位置應該是什么？無論是 6 列、8 列還是 16 列，如何安排，以便當一個供應商具有 8 列配置時，他們可以與具有 12 列配置的供應商進行通信并進行物理連接，而不僅僅是通過物理連接引腳方面，還有連接性和海岸線兼容性？”

互操作性設計

UCIe 的廣泛采用仍然存在許多技術障礙。其中包括對精確電氣一致性、可預測信號領域以及滿足各種節點和制造工藝的系統物理互連的需求。

“您還可以在其中安裝HBM，與單個 ASIC 相比，它可能非常高，”Amkor 的 Chaudhry 說道。“你如何解決這些身高差異？當您將不同的芯片和不同的小芯片放在一起時，會出現很多不同的問題。”

熱管理也是高密度封裝的關鍵要素。不同的工藝節點不可避免地會呈現出不同的功率分布和散熱特性。彌合這些差距需要創新的熱分布方法和復雜的翹曲控制，以確保復雜模塊的結構完整性和可靠的功能。

“熱學方面存在很多挑戰，”喬杜里補充道。“當您有來自不同工藝節點的兩個芯片時，如何確保有辦法均勻地耗散功率？這些是我們前進過程中遇到的一些挑戰，目前還沒有通用的解決方案。這些都是該聯盟目前正在考慮的事情。”

持續發展

UCIe 聯盟的另一個目標是確保今天開發小芯片的任何人在五年后仍然能夠使用該設計，盡管標準在這段時間取得了進展。

“它絕對會發展，”Chaudhry補充道。“PCI 也做了同樣的事情。他們現在是第 5 代或第 6 代。USB 也是如此，USB 4.0 即將推出。CXL 為 3.1。我們預計 UCIe 也會發生同樣的事情。它將不斷改進并提出我們的成員可以采用的新的、更靈活的解決方案。”

“參與的人越多，他們就越會開始調整事情，”達斯·夏爾馬補充道。“其中有些不會成功，而有些卻會非常好。這是一個長達數十年的旅程，關鍵是學習、適應并繼續前進。”

結論

UCIe 計劃旨在通過在 PCB 級模擬外圍組件互連 Express (PCIe) 的成功來徹底改變芯片封裝互連性。通過促進芯片封裝內的直接芯片間連接，UCIe 致力于大幅降低功耗、提高帶寬效率，并最終降低生產成本。

“UCIe 的好處在于它是一個開放標準，”Chaudhry 說。“總共有大約120名成員，他們都在一起工作。有六個不同的工作組，范圍從機械到電氣到安全到軟件和營銷，他們在開發基于小芯片的設計時提出了新的東西。UCIe 1.0和1.1之間發生的很多事情基本上都是他們的投入造成的。”

審核編輯：黃飛