來源：內容來自半導體行業觀察（ID：icbank）編譯自華爾街日報，謝謝。
如果微芯片是城市，那麽讓它們變得更好的全行業新戰略可以用一個詞來概括——蔓延（sprawl）。在某些情況下，我們最強大的設備中的芯片占用了如此多的空間，以至于它們幾乎不再被稱爲“微型”。
工程師實現這一目標的一種方法是將微芯片堆疊在一起。這就像urban infill，只是不再建造高聳的新公寓樓，而是計算機內部通常扁平的硅片正在變成多層，把內存、電源管理和圖形等功能的電路堆疊在一起。
推動芯片設計這一趨勢的原因是一個簡單的現實：繼續使芯片更快、我們的設備更強大的壓力是無情的，而芯片行業通過縮小晶體管以維持更高性能來跟上步伐的能力正在遇到技術障礙。
因此，半導體工程師通過將芯片更緊密地結合在一起來提高性能。正在出現的是位于我們電子世界核心的微型硅城。在某些情況下，這些蝕刻的晶體組合變得如此之大，以至于它們達到了芯片中罕見的物理尺寸。
目前，大多數芯片的大小約爲一角硬幣或四分之一，但有些芯片現在已增長到接近撲克牌的大小，或者在某種情況下，甚至是餐盤大小。
Apple 的 M1 Ultra 芯片在其 Mac Studio 計算機中使用，由 1140 億個晶體管組成。
這些巨型芯片不僅出現在世界上最強大的超級計算機中，而且出現在家用設備中。微軟的 Xbox 視頻遊戲機和索尼蘋果的 PlayStation 5 使用了一些由 Advanced Micro Devices 設計的打新。使用在蘋果 Mac Studio 計算機中 的M1 Ultra 芯片也采用了這種設計方法，用于超級計算機和數據中心的英特爾 Ponte Vecchio 處理器核心同樣是個大芯片。
但是，當涉及到管理在密集電路中執行的所有計算所産生的額外熱量時，這些巨型芯片會給工程師帶來挑戰。盡管它們可以更節能，但它們的龐大尺寸意味著它們有時最終也會消耗大量電力。例如，英特爾的 Ponte Vecchio 芯片在每次計算的基礎上都很高效，但功耗爲 600 瓦，幾乎足以運行吹風機。如果您想知道爲什麽您的移動設備中還沒有大型芯片，這就是您的答案。
從某些方面來看，巨型芯片只是延續摩爾定律趨勢的一種方式——英特爾創始人戈登·摩爾（Gordon Moore）觀察到，每兩年左右，消費者可以預期每美元的晶體管數量會增加兩倍，因此計算能力也會增加一倍。這條經驗法則之前已經宣布結束，但芯片只會越來越好。超級芯片只是業界最新的創新，可兌現更高性能的承諾。
荷蘭公司 ASML 基本上壟斷了制造世界上最先進的芯片所必需的工具，以及最小的晶體管。然而，即使它說要保持摩爾定律的發展，僅僅使芯片上的功能更小是不夠的。在2021 年 9 月向投資者的介紹中，它談到了“系統擴展”（system scaling）的想法。ASML 的一位發言人證實，該公司認爲系統擴展是對 ASML 爲縮小微芯片特性所做的工作的補充。
用城市的比喻來說，如果一個城市不能縮小其住房單元的規模或提高其交通效率，它就別無選擇，只能向上向外擴張——就像新加坡島的土地面積在過去50 年中幾乎增長了四分之一。
在衆多中的一個
制造巨型芯片並非易事，部分原因是這樣做意味著以納米級精度將每個芯片組件操縱到位，並且在沒有微型焊槍的情況下將它們連接起來。
現在這在很大程度上是可能的，因爲最近在一個長期以來被芯片行業忽視的領域進行了創新。該領域是“封裝”。這通常是微芯片制造後的一個模糊步驟，當它連接到細線並用塑料包裹，然後放置在電路板上，也用電線覆蓋，將其連接到設備的其余部分。
在傳統設備中，接收和傳輸無線電波（例如，通過 Wi-Fi 進行通信）的芯片可能會連接到另一個進行通用計算的芯片，它們之間的連接實際上就是所謂的“總線”。但就像它在現實世界中的等價物一樣，這種公共汽車並不是在這些相鄰的硅城市之間運輸任何東西的快速方式。新的巨型芯片封裝反而將這兩個芯片——可能還有更多——直接連接起來。結果更像是把所有這些芯片放在一個屋檐下，在一棟高層建築中。
IBM前封裝開發總監 Subramanian Iyer 表示，傳統的微芯片必須將其近三分之一的面積（以及同樣多的功耗）用于將芯片計算結果傳達給設備其余部分的電路。堆疊芯片使它們之間的通信更快，因爲它允許它們之間的更多連接，就像在摩天大樓的樓層之間乘電梯旅行比一直穿過建築物到達最近的鄰居更快一樣。
美光的232層閃存
這種東西長期以來一直是內存芯片的標准——總部位于愛達荷州博伊西的美光科技剛剛推出了一款 232 層的內存芯片，如果它是一座建築物，在拉斯維加斯大道上也不會顯得格格不入——但僅適用于其他類型的微芯片。
制造巨型芯片和芯片堆疊的基本組成部分是一種新型微芯片，稱爲“chiplet”。它取消了一些舊式電路，可以更直接地與其他chiplet通信。通過創建許多短而直接的連接——通常由芯片本身所用的同一硅制成，而不是銅或其他金屬——這些chiplet可以與其他chiplet融合形成巨型芯片。
伊利諾伊大學厄巴納-香槟分校的電氣工程教授 Rakesh Kumar 說，共同構成一個巨型芯片的不同chiplet之間的直接通信使它們能夠像一個巨大的微處理器一樣運行。
一個極端的例子是英特爾最近發布的 Ponte Vecchio 圖形處理器。每個都由 63 個不同的chiplet組成。這些chiplet相互堆疊並擠在一起，總面積爲 3,100 平方毫米，包括 1000 億個晶體管。相比之下，筆記本電腦核心的典型芯片尺寸不到 150 平方毫米，大約是其大小的 1/20，並且有大約 15 億個晶體管——數量的 1.5%。
使用堆疊chiplet顯然是英特爾處理器的未來——其大部分已經發布但尚未發貨的服務器、台式機和筆記本電腦處理器都是采用這種技術構建的。英特爾高級研究員 Das Sharma 表示，以這種方式做事“提供了一種全新的芯片制造方法，比傳統方法更快、更具成本效益”。
他指出，堆疊chiplet還允許英特爾提高其下一代台式機和服務器芯片的性能，而不會增加其（二維）占用空間或總功耗。這可能看起來有悖常理，但它有助于理解芯片使用的功率量是設計決策，而節省功率是行業的最高優先事項之一。堆疊的chiplet可以讓工程師通過節省芯片不同部分進行通信所需的時間和能源，從現有設計中獲得更多收益。但是，當性能是優先考慮的事項時，chiplet也可用于使微芯片更大——更耗電。
AMD 是當前chiplet技術時代的先驅，它已經提供了內置少量chiplet的處理器。該公司發現，只需在其 CPU（計算機中進行大量非圖形計算的芯片）上堆疊一個內存芯片，就能夠顯著提高其系統的速度。
群星閃耀的時代
Ansys的産品營銷總監 Marc Swinnen 表示，雖然目前基于chiplet的巨型芯片數量可能很少，而且只出現在最強大的系統中，但制造它們的趨勢正在加速。廣泛應用于微芯片設計行業。（Ansys 的大多數客戶都喜歡保持匿名，但其中包括三星。）
該公司發言人表示，自 2019 年以來，Ansys 客戶涉及堆疊chiplet的項目數量增加了 20 倍，當時它還處于低個位數。（從角度來看，世界上任何時候正在進行的此類芯片設計項目的總數估計有數百個。）
3 月，一個名爲 Universal Chiplet Interconnect Express (UCIe) 的行業聯盟宣布，英特爾和 AMD——通常是死對頭——都是這個最新標准組織的會員。該標准旨在使任何遵循它的人都可以創建可以與其他制造商制造的芯片連接的芯片。該聯盟的成員還包括Arm、台積電、三星等微芯片設計和制造巨頭。
爲chiplet創建標准連接方式的希望是，在未來，任何公司都可以從任何其他公司購買chiplet，然後將它們組裝成他們特定用途所需的任何科學怪人的芯片怪物，聯盟主席 Debendra Das Sharma、英特爾高級研究員說，在UCIe，讓我們回到城市的比喻上，想象一下，如果你能把紐約、裏約和東京最好的地方，然後將它們拼湊成一個適合你特定口味的夢想城市，這是一個多不可思議的事情。
當然，要完成這項工作需要讓很多不同的公司參與進來。Sharma 博士說，UCIe 標准的性質和加入該組織的大名鼎鼎的名字足以證明它會成功。
但伊利諾伊大學的Kumar博士不太確定。“在一個如此殘酷的行業中，對任何事物進行標准化都是一項挑戰，因爲必須做出妥協，而且並不是每個人都有動力表現得很好，”他說。
整個行業對這項技術産生興趣的一個主要驅動力是越來越多的公司（包括亞馬遜、谷歌、微軟、特斯拉等）希望創建自己的、功能更強大的微芯片來運行從雲服務和智能手機等各種服務。，到遊戲機和車輛。
“現在有大公司的整個部門，他們的商業主張都取決于他們的硅質量，”Swinnen先生說。
加州大學洛杉矶分校的 Iyer 博士說，還推動人們對巨型芯片産生興趣的是人工智能和機器學習系統對現有硬件的貪婪需求。雖然有些人通過以老式方式制造真正巨大的微芯片來滿足這一需求——一家名爲 Cerebras的初創公司制造了一種芯片，該芯片占據了通常蝕刻數十個微芯片的硅晶片的整個表面——其他人，包括 Dr. Iyer 的團隊正在研究由chiplet組成的專注于人工智能的巨型芯片。
從超級計算機到可穿戴設備
對巨型芯片的熱情表明，它們有朝一日可能會超越目前在性能高于功耗或電池壽命的設備中的使用。
Kumar 博士說，就像一座通過快速交通系統與郊區相連的城市一樣，未來的chiplet可以通過更遠的距離和新穎的方式相互連接。
從表面上看，這沒有什麽意義，因爲將芯片移得更遠會增加它們通信所需的時間。但它至少産生了一個意想不到的好處。與柔性電路連接的較chiplet可用于構建柔性計算機。它甚至可以誕生全新類型的設備。
例如，Kumar 博士的團隊已經進行的實驗表明，chiplet可以與柔性電路連接在一起，形成可穿戴系統，或者可以包裹在飛機機翼等表面的系統。Iyer 博士說，他的團隊正在努力創建靈活手機所需的所有構建模塊。
盡管巨型芯片面臨挑戰，但將當今的微芯片分解成更小的chiplet，這些chiplet可以重新組裝成更大、更強大的計算 Voltron 的努力正在獲得動力。事實上，沒有它，摩爾定律——微芯片的不斷改進——就無法繼續。
簡而言之：芯片蔓延才剛剛開始。
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