從一顆CPU看國(guó)產(chǎn)芯片的未來(lái)

國(guó)產(chǎn)處理器公司龍芯近日發(fā)布了用于服務(wù)器市場(chǎng)的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新一代3D5000系列芯片。

具體來(lái)說(shuō)，3D5000芯片是使用Chiplet（芯片粒）技術(shù)把兩塊之前發(fā)布的3C5000芯片互聯(lián)和封裝在一起，其中每塊3C5000芯片粒有16個(gè)核心，從而實(shí)現(xiàn)3D5000的32核設(shè)計(jì)。除了集成了32個(gè)LA464處理器核之外，龍芯3D5000還集成了64MB的L3 Cache，支持最多8個(gè)DDR4-3200 DRAM；在可擴(kuò)展性方面，3D5000可以通過(guò)HyperTransport接口構(gòu)建至多四路處理器，因此單機(jī)可以支持多達(dá)128核。

在性能方面，龍芯的這款芯片使用的是SMIC的12nm工藝，時(shí)鐘頻率可達(dá)2.2 GHz。跑分方面，單路和雙路服務(wù)器的SPEC CPU2006 Base實(shí)測(cè)可以超過(guò)400分和800分，預(yù)計(jì)四路服務(wù)器的分值可以達(dá)到1600分。根據(jù)時(shí)鐘頻率和跑分結(jié)果來(lái)看，該芯片性能大約和Intel 2015年的至強(qiáng)CPU（Xeon E5-4620， 2.1GHz，四塊芯片的SPEC CPU2006分?jǐn)?shù)為1550）接近。

我們認(rèn)為，龍芯的3D5000芯片對(duì)于國(guó)產(chǎn)自主產(chǎn)權(quán)處理器來(lái)說(shuō)是一個(gè)重要的里程碑。其重要性不僅僅是由于它的性能在慢慢接近主流處理器水平（雖然還有一段距離），而且在于它使用了Chiplet技術(shù)。從芯片架構(gòu)方面來(lái)看，龍芯還有相當(dāng)?shù)臐摿赏冢▽?duì)照的Intel Xeon E5-4620使用的是32nm工藝），處理器架構(gòu)方面的技術(shù)也不是一朝一夕能解決的，而需要踏踏實(shí)實(shí)地積累技術(shù)——值得欣慰的是，龍芯已經(jīng)宣布將于明年發(fā)布使用全新架構(gòu)的處理器，其IPC（instruction per cycle，每時(shí)鐘周期指令執(zhí)行數(shù)，是CPU最重要的指標(biāo)之一）可望能達(dá)到AMD Zen3水平。另一方面，我們也看到使用12nm工藝確實(shí)對(duì)于該芯片的時(shí)鐘頻率給了很大的限制，在目前主流使用最先進(jìn)半導(dǎo)體工藝的CPU時(shí)鐘頻率都在接近4GHz的時(shí)候，3D5000的時(shí)鐘頻率僅為其一半左右。但是，這也是3D5000芯片重要的原因，因?yàn)樗褂昧薈hiplet技術(shù)，而Chiplet技術(shù)可望是能成為處理器（以及其他品類的芯片）突破半導(dǎo)體工藝限制瓶頸的最關(guān)鍵技術(shù)。

Chiplet給國(guó)產(chǎn)芯片的價(jià)值

如前所述，Chiplet將會(huì)成為國(guó)產(chǎn)芯片突圍的重要技術(shù)。

目前由于地緣政治的影響，中國(guó)的半導(dǎo)體行業(yè)受到了種種限制，尤其是開(kāi)發(fā)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的關(guān)鍵芯片（如國(guó)產(chǎn)CPU，或者之后有可能受到影響的其他高性能計(jì)算芯片）的公司難以使用最先進(jìn)的半導(dǎo)體工藝節(jié)點(diǎn)。另一方面，中國(guó)的半導(dǎo)體fab同樣由于受到地緣政治的影響，難以快速追趕全球最先進(jìn)的工藝節(jié)點(diǎn)，而目前只能主要生產(chǎn)成熟工藝節(jié)點(diǎn)（如28nm），或者是介于成熟工藝和先進(jìn)工藝之間的工藝節(jié)點(diǎn)（例如SMIC今年剛開(kāi)始大規(guī)模量產(chǎn)14nm，未來(lái)幾年可望做到10nm以下）。即使是介于成熟工藝和先進(jìn)工藝之間的工藝節(jié)點(diǎn)，也會(huì)存在良率較低等問(wèn)題，需要時(shí)間來(lái)解決。

在這樣的情況下，國(guó)產(chǎn)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)芯片在受到地緣政治影響下只能使用較落后的工藝節(jié)點(diǎn)，那么使用Chiplet這樣的高級(jí)封裝技術(shù)就成為了突破工藝限制，或者說(shuō)至少減少工藝對(duì)于芯片影響的一種重要技術(shù)。

首先，從架構(gòu)上來(lái)說(shuō)，以CPU為例，當(dāng)單核性能受到工藝的限制難以做到很強(qiáng)，時(shí)鐘頻率難以跑到很高的時(shí)候，使用多核就是一種重要的提高性能的選項(xiàng)。當(dāng)在核心數(shù)量上做提升的時(shí)候，確保核心與核心之間的高性能數(shù)據(jù)互聯(lián)就是一項(xiàng)重要的任務(wù)，而這項(xiàng)任務(wù)使用基于Chiplet的技術(shù)可以較為容易地實(shí)現(xiàn)，從而保證多核處理器的總性能能以和核心數(shù)量呈接近線性的方式提升。我們認(rèn)為，這樣的設(shè)計(jì)方式不僅僅對(duì)于CPU這樣的處理器有效，而且對(duì)于其他高性能計(jì)算芯片，例如汽車芯片、GPU等等都有意義，因此龍芯的3D5000芯片對(duì)于整個(gè)行業(yè)都有很大的借鑒意義。我們認(rèn)為，未來(lái)這種使用Chiplet方法的眾核CPU很可能是國(guó)產(chǎn)CPU的主流做法，而龍芯這次發(fā)布的芯片將會(huì)是這方面的先驅(qū)者之一。

其次，從良率角度來(lái)看，如前所述國(guó)內(nèi)的Fab由于良率可能會(huì)存在一定的提升空間，而良率又會(huì)影響到芯片的成本。為了國(guó)產(chǎn)芯片能有較低的成本可以在市場(chǎng)上有競(jìng)爭(zhēng)力，必須保證總體良率足夠好，而這個(gè)時(shí)候Chiplet就能提供幫助。具體的原因是，在使用同一工藝的前提下，總體芯片的良率和芯片的尺寸有關(guān)，即在單個(gè)芯片上集成越多晶體管，總體芯片尺寸越大，則芯片良率越低；如果工藝本身的良率就有提升空間，那么對(duì)于芯片尺寸較大的CPU或者高性能計(jì)算芯片，總體的芯片良率就會(huì)很低。為了解決這個(gè)問(wèn)題，可行的做法是把一個(gè)大芯片拆成多個(gè)小的芯片粒，這樣單個(gè)芯片粒的面積就會(huì)較小，從而良率得到了保證，從而整體上可以用高級(jí)封裝的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)在工藝良率還在提升的時(shí)候，也能實(shí)現(xiàn)較高良率的高集成度芯片。

中國(guó)芯片設(shè)計(jì)應(yīng)布局Chiplet以及相關(guān)架構(gòu)

值得一提的是，使用Chiplet并非是為了突破地緣政治對(duì)于中國(guó)半導(dǎo)體影響的臨時(shí)解決方案，而事實(shí)上將會(huì)成為未來(lái)芯片設(shè)計(jì)的主流方案——即使沒(méi)有地緣政治對(duì)于中國(guó)半導(dǎo)體技術(shù)的限制，中國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)仍然應(yīng)該大力發(fā)展Chiplet相關(guān)的技術(shù)。

目前，國(guó)際最主流和最領(lǐng)先的半導(dǎo)體芯片公司都在使用Chiplet技術(shù)，因?yàn)樗麄円彩艿搅税雽?dǎo)體工藝的限制，因?yàn)楣に嚵悸实膯?wèn)題在最新的半導(dǎo)體工藝節(jié)點(diǎn)中也存在，因此AMD、Intel等頂尖公司都在大量投入Chiplet相關(guān)研發(fā)，并且已經(jīng)使用在最新的芯片中，用以提高芯片性能和良率。因此，中國(guó)半導(dǎo)體公司對(duì)于Chiplet的研發(fā)事實(shí)上也是符合全球半導(dǎo)體主流技術(shù)的做法。

對(duì)于Chiplet技術(shù)來(lái)說(shuō)，一方面必須在封裝和相關(guān)半導(dǎo)體工藝上做投入——從目前的技術(shù)來(lái)看，Chiplet以及相關(guān)的高級(jí)封裝技術(shù)正在越來(lái)越多地在半導(dǎo)體代工廠中完成（例如臺(tái)積電的InFO、CoWoS、SOIC等都是相當(dāng)成功的Chiplet相關(guān)技術(shù)），而不是在封測(cè)廠中完成，因此中國(guó)的半導(dǎo)體代工廠也必須要努力開(kāi)發(fā)相關(guān)的技術(shù)。另外，從芯片設(shè)計(jì)端來(lái)看，Chiplet為芯片設(shè)計(jì)帶來(lái)了更多的靈活度，開(kāi)啟了更多的機(jī)會(huì)，但是同時(shí)也對(duì)于芯片架構(gòu)設(shè)計(jì)提出了更高的要求，即如何針對(duì)Chiplet去開(kāi)發(fā)最優(yōu)的芯片架構(gòu)，從而最大程度上利用Chiplet帶來(lái)的靈活度；例如目前AMD的最新一代處理器中把大量緩存放在了Chiplet中，這就是Chiplet給芯片架構(gòu)帶來(lái)的一次更新。因此，如何利用Chiplet的帶來(lái)的機(jī)會(huì)讓中國(guó)半導(dǎo)體芯片行業(yè)更上一層樓，是需要中國(guó)的相關(guān)的半導(dǎo)體工藝、封裝和設(shè)計(jì)廠商協(xié)同努力的一個(gè)重要課題。

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