7/11/2024，光纖在線訊，近年來，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)正經(jīng)歷一場(chǎng)重大變革。從NVIDIA Blackwell、AMD MI300到Tesla Dojo等最新芯片設(shè)計(jì)中，我們可以看到一個(gè)明顯趨勢(shì)：通過堆疊不同類型的芯片來構(gòu)建計(jì)算系統(tǒng)。這標(biāo)志著半導(dǎo)體行業(yè)已進(jìn)入下一個(gè)發(fā)展階段。本文將基于臺(tái)積電前董事長劉德音在IEEE Spectrum上發(fā)表的文章以及臺(tái)積電3Dblox的介紹，探討3D IC的未來發(fā)展趨勢(shì)。

      
半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的新趨勢(shì)
1. AI模型持續(xù)增大，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)需要進(jìn)入下一階段以滿足算力需求。
2. 從集成電路向小芯片系統(tǒng)集成發(fā)展成為未來趨勢(shì)。
3. GPU將突破1萬億個(gè)晶體管。
4. 開發(fā)能耗優(yōu)化的GPU成為重要方向。
5. 3D IC設(shè)計(jì)即將迎來Mead-Conway時(shí)刻，能夠設(shè)計(jì)比現(xiàn)在更大規(guī)模的IC系統(tǒng)。

      
     這些趨勢(shì)表明，未來芯片系統(tǒng)的晶體管數(shù)量將達(dá)到一個(gè)全新的量級(jí)，遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)"超大規(guī)模集成電路"的范疇。因此，設(shè)計(jì)超過1萬億晶體管的GPU需要全新的方法來設(shè)計(jì)更大規(guī)模的3D IC。

      
摩爾定律的延伸：從晶體管微縮到芯片系統(tǒng)堆疊
     半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)正經(jīng)歷一個(gè)重大轉(zhuǎn)折點(diǎn)。過去主要通過晶體管微縮來提升算力，現(xiàn)在則轉(zhuǎn)向不斷堆疊芯片來提高性能。這一轉(zhuǎn)變?cè)从诰�體管微縮速度已經(jīng)跟不上算力需求，而先進(jìn)封裝、并行計(jì)算、光通信等技術(shù)的持續(xù)發(fā)展為新的解決方案提供了可能。

     在可預(yù)見的未來幾年，芯片系統(tǒng)堆疊將成為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)方向之一。

臺(tái)積電的3Dblox
     面對(duì)即將到來的1萬億晶體管GPU時(shí)代，傳統(tǒng)的VLSI設(shè)計(jì)工具已無法滿足需求。我們需要擴(kuò)展設(shè)計(jì)工具，以支持下一代更大規(guī)模芯片系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。這正是臺(tái)積電提出3Dblox語言標(biāo)準(zhǔn)的原因。

      
     隨著越來越多的芯片采用Chiplet概念設(shè)計(jì)，需要考慮許多超出單一芯片范疇的因素，如線路定義、散熱可行性、不同芯片間的銜接等。在先進(jìn)封裝UCIe標(biāo)準(zhǔn)持續(xù)發(fā)展的同時(shí)，IC設(shè)計(jì)工程師也需要一套新的工具和語言來進(jìn)行3D IC設(shè)計(jì)。

     在Chiplet技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（如UCIe）和開放性經(jīng)濟(jì)商業(yè)模式持續(xù)討論的背景下，臺(tái)積電的3Dblox及其EDA生態(tài)系統(tǒng)將成為IC設(shè)計(jì)工程師不可或缺的工具。

      
Chiplet經(jīng)濟(jì)正在成形
     從最近發(fā)布的各種芯片來看，Chiplet幾乎已成為未來芯片設(shè)計(jì)不可或缺的方式。產(chǎn)業(yè)鏈上的大多數(shù)公司都在思考如何加入這種協(xié)作系統(tǒng)。因此，業(yè)界普遍希望建立一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，促進(jìn)更好的合作，擴(kuò)大市場(chǎng)規(guī)模。

     UCIe標(biāo)準(zhǔn)的形成代表了這一趨勢(shì)，旨在通過標(biāo)準(zhǔn)化讓不同芯片供應(yīng)商能夠相互合作，創(chuàng)造更大的價(jià)值。UCIe標(biāo)準(zhǔn)的形成、3Dblox語言和工具的發(fā)展、EDA生態(tài)系統(tǒng)的完善，都表明Chiplet經(jīng)濟(jì)正在形成并持續(xù)壯大。

半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)變革加速：SysMoore / Chiplet時(shí)代的快速發(fā)展
     半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)正從Moore's Law時(shí)代轉(zhuǎn)變?yōu)?SysMoore"時(shí)代。這并不意味著Moore's Law失效或終結(jié)，而是代表半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展將結(jié)合Moore's Law和系統(tǒng)設(shè)計(jì)，更加強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)集成和優(yōu)化。

     從Chiplet的使用趨勢(shì)可以看出這一變化。預(yù)計(jì)到2026年，Chiplet在先進(jìn)芯片設(shè)計(jì)中的應(yīng)用比例有望超過10%。這將導(dǎo)致半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)發(fā)生重大轉(zhuǎn)變。

      
      
      
      
NVIDIA的Blackwell Chiplet設(shè)計(jì)
     NVIDIA的Blackwell B200芯片沒有采用下一代制程節(jié)點(diǎn)，而是使用GPU Chiplet來提升算力。這標(biāo)志著幾乎所有大廠都將先進(jìn)封裝視為推進(jìn)先進(jìn)制程的替代方案。

     B200芯片通過使用Chiplet技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了比H100多出兩倍以上的晶體管數(shù)量。這一步驟象征著在硬件層面，Chiplet已成為與先進(jìn)制程節(jié)點(diǎn)并駕齊驅(qū)的算力提升方式，而不僅僅是先進(jìn)制程的附屬技術(shù)。

      
總結(jié)
     半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)正從Transistor Scaling向System Scaling轉(zhuǎn)變。Chiplet設(shè)計(jì)的發(fā)展，結(jié)合硬件方面的先進(jìn)封裝、設(shè)計(jì)層面的架構(gòu)優(yōu)化和軟件層面的優(yōu)化，正在將System Scaling的概念付諸實(shí)踐。這代表著半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)新的發(fā)展階段，我們可以期待未來會(huì)有更多創(chuàng)新和突破性的發(fā)展。

文章來源：逍遙科技
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