达摩院 2020 预测：模块化降低芯片设计门槛 | 问底中国 IT 技术演进
作者 | 伍杏玲
出品 | CSDN（ID：CSDNnews）
如今我们生活处处离不开芯片技术：手机、电脑、家电、火车、机器人……可以说芯片是信息产业的“心”。其实早在2010年，《关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》中指出，将继承电路产业作为新一代信息技术产业的重要组成部分，是国家未来重点发展的战略新兴产业。
可一直以来，芯片领域技术和资本门槛较高，在尚未没做出芯片原型时，已需要几千万美元的投入，造芯之路并不易。
如何降低造芯的资本投入？我们还需从技术降低芯片设计的门槛出发。
据阿里达摩院发布的《达摩院 2020 十大科技趋势》预测，一种“芯粒”（Chiplet）的模块化设计方法正在成为新的行业趋势。这种方法通过对复杂功能进行分解，开发出多种具有单一特定功能的“芯粒”，如实现数据存储、计算、信号处理、数据流管理等功能。利用这些不同功能的芯粒进行模块化组装，将不同的计算机元件集成在一块硅片上，来实现更小更紧凑的计算机系统结构。如此一来，可通过模块化设计来降低芯片设计门槛。
那么这项技术会给当前芯片设计带来怎样的影响？基于此，我们进行了哪些的探索呢？
不同制程的芯片成本差别巨大
IBS 公司曾以苹果公司为例，对比不同制程的苹果芯片每晶体管的生产成本：在16nm工艺下，为4.98美元/10亿个晶体管，在7nm工艺下，仅为2.65美元/10亿个晶体管。从设计成本来看，工艺节点为28nm时，单颗芯片设计成本约为0.41亿美元，工艺节点为7nm时，设计成本则快速升至约2.22亿美元。且早期使用和成熟期使用的成本相差一倍以上。[1]
工艺节点处于各时期的芯片设计成本[1]
据达摩院表示，随着芯片制程从10nm缩减到7nm，接下来还要进一步缩减到5nm，每一次制程缩减所需要的成本和开发时间都在大幅提升。
所以我们需寻找新的芯片开发模式，实现更低成本和快速地开发芯片，模块化芯片设计或许是其中一个思路。
探索解决方案
达摩院表示，以前设计一个SoC，需要从不同的IP供应商购买IP，包括软核IP或硬核IP，再结合自家研发的模块，集合成一个SoC，在某个制造工艺节点上完成芯片设计和生产的完整流程。未来可能不是由单独封装的芯片制造的，而是在一块较大的硅片上互连成芯片网络的芯粒制造的。模块化的芯片技术让开发者实现像搭积木一样“组装”芯片。
芯原创始人&董事长兼总裁、加州大学圣克鲁兹分校计算机工程系终身教授、前Celestry 董事长兼首席技术长戴伟民在《嵌入式人工智能与芯粒的历史机遇》中曾谈及，芯粒是以芯片裸片的形式提供，而不是软件形式。芯粒模式具备开发周期短、设计灵活、低成本特点；它可将不同工艺节点、不同材质、不同功能、不同供应商的具有特定功能的商业化封装在一起。
各大企业和组织正在探索创新芯片的研发方案：
2017年，CHIPS（Common Heterogeneous Integration and IP Reuse Strategies，通用异构集成和IP重用战略）项目成立，其愿景是打造离散的、适当节点制造的多样化芯粒生态系统，开发模块化芯片并将之组装成更大模块的系列设计工具、集成标准和IP块。该项目成员包括英特尔、Micron、Synopsys、Candence、Northrop Grumman、Lockheed Martin、波音、密歇根大学、佐治亚理工学院、北卡罗莱纳州立大学等。
2018年10月，7家公司成立ODSA（Open Domain-Specific Architecture，开放专用域架构）组织，到2019上半年已超50家，其目标是制定芯粒开放标准、促进形成芯粒生态系统、催生低成本SoC替代方案。
2019年，英特尔推出Co-EMIB技术，其能将两个或多个Foveros芯片互连。
2019年6月，台积电发布自研的芯粒“This”，其由两颗7nm工艺的小芯片组成，每颗小芯片包含4个 Arm Cortex- A72处理器，芯片间通过CoWoS中介层整合互连。
清华大学长聘教授尹首一表示，开源IP核、Chisel语言以及芯粒技术在不同层次上成为实现芯片敏捷开发的使能技术。开源IP核降低了芯片设计的进入门槛，Chisel语言提高了硬件抽象层次，而芯粒则为系统级芯片设计提供了崭新途径。尤其是未来随着异质集成、三维集成等技术的成熟，摩尔定律将在全新维度上得以延续。
除此以外，达摩院表示，近年来，以RISC-V为代表的开放指令集及其相应的开源SoC芯片设计、以Chisel为代表的高级抽象硬件描述语言和基于IP的模块化模板化的芯片设计方法，推动了芯片敏捷设计方法与开源芯片生态的快速发展，越来越多芯片企业开始尝试开源硬件架构进行设计。
技术挑战
在我们探索模块化芯片设计的道路上，阿里平头哥副总裁孟建熠提出目前模块化芯片设计研发上遇到的难题：模块化设计技术还在发展中，如今仍还没有非常好的模块架构整体解决方案，未来芯粒之间的通信技术、芯片的散热技术和封装技术都需提升。
据孟建熠透露，目前阿里巴巴旗下的独立芯片公司平头哥正在进行芯粒及其封装方面的应用研究，基于一站式芯片设计平台——无剑平台的实践经验，将有助于阿里更好地洞察场景需求、培育芯片生态、探索模块架构解决方案。
资料：
[1]芯原创始人戴伟民：嵌入式人工智能与芯粒的历史机遇
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