异质性战略正在得到加强

作者：Dave Lammers戴夫-拉默斯

面对传统市场的放缓和摩尔定律的扩展，半导体行业正在努力重塑自己，以弄清人工智能、自动驾驶汽车、物联网等新市场的需求。

其中最吸引人的也许是人工智能，其计算范式可能与传统的处理器-内存方法有明显的不同。"最近在旧金山举行的国际电子器件会议上，法国研究员Damien Querlioz就 "用于神经形态计算的新兴设备技术 "发表演讲说："长期以来，模式识别和认知任务，如识别和解释图像、理解口语和自动翻译，是计算机的薄弱环节。

大约从2012年开始，在训练和推理阶段，人工智能的进展一直在加速，但在使用传统计算架构时，功耗仍然是一个巨大的挑战。法国国家实验室CNRS的研究员Querlioz举了一个有说服力的例子：2016年谷歌的AlphaGo和世界围棋冠军Lee Sedol之间进行的著名围棋比赛。李世石的大脑在比赛中消耗了大约20瓦特，而AlphaGo需要估计超过25万瓦特来保持其CPU和GPU的运转。

虽然此后在谷歌和其他地方已经进行了功率改进，但为神经形态计算提出新的、不那么耗电的设备的努力正在加强。

Ted LetavicGlobalFoundries负责战略营销的高级研究员说，他认为人工智能是分阶段进行的，从改进传统计算技术的方法到消耗更少电力的全新设备和架构，是一条时间线。在这个时间轴上，先进的封装将发挥关键作用。

"人工智能现在正向我们走来，我们可以利用现有技术并增加衍生产品，利用DTCO（设计技术共同优化）来优化到比特单元设计水平，"Letavic说。GF的技术专家正在为14/12纳米FinFET平台开发降低功率和提升性能的方法，包括双工作功能SRAM、更快和更低功率的乘积（MAC）元件、更高的带宽访问SRAM等。基于FD-SOI的FDX工艺的功耗也低得多，特别是在部署背偏压技术时。Letavic说，有了设计者工具包中的这些技术，客户可以 "以更低的功率包络重新设计人工智能所固有的元素，而不是直接采用7纳米。"

在进行这些DTCO改进的同时，全世界都在努力研究和开发基于相变存储器（PCM）、电阻式RAM（ReRAM）和自旋扭矩转移磁性RAM（STT-MRAM）以及FeFET的嵌入式存储器和内存计算解决方案。Querlioz在IEDM教程会议上说，由Jeff Welser领导的IBM Almaden研究中心开发的基于PCM的芯片已经显示出巨大的进展，而基于STT-MRAM和ReRAM的人工智能处理器也显示出巨大的前景。 "Querlioz说："我们现在有巨大的潜力来重新发明用于认知型任务和模式识别的电子产品。

Letavic说，降低功耗的长期需求，特别是在推理处理方面，正在推动众多初创公司开发新的人工智能解决方案，GF正在与其中的几个公司以及长期合作伙伴AMD和IBM紧密合作。

"我们只能通过DTCO对冯-诺依曼计算的改进走到这里。Letavic说："超越分解逻辑和内存的下一步是转向内存中计算和基于模拟的计算。此外，已经为业界服务了35年的指令集架构（ISA）将需要被新的软件堆栈和算法所取代。"当我们转向特定领域的计算时，必须有人重新发明软件。IBM对软件栈有一些非常好的见解，"他说。

"每个人都必须共同采取这种转向人工智能的方式。代工厂将与主导客户携手并进，我们不能将算法与技术分开，"Letavic说，他提到了STCO的这种密切合作，即系统技术共同优化。"随着我们进入计算的第四个时代，STCO是DTCO的一个自然延伸。随着我们转向特定领域的计算，这是我们将共同进行的转变"。

有助于降低成本的包装

虽然硅的进步--包括门堆中的双工作功能金属、FD-SOI和STT-MRAM--将提高性能，但Letavic说，封装将发挥同样大的作用，因为公司将用每种功能的最佳工艺制作的异质器件连接起来。"我认为经过20年的讨论，2.5D和3D将成为主流。我们将看到来自封装的差异化，如果不是更多的话，就像你将看到来自硅流的差异化一样。"

Tirias Research公司的首席分析师Kevin Krewell说，正在与Advanced Micro Devices公司进行的工作将使GF公司在将两个或更多的芯片放在一个单一的封装中时具有优势。早些时候，AMD和英特尔将AMD Radeon图形处理器与英特尔CPU结合在一起。现在，AMD正在通过使用AMD的Infinity Fabric互连技术提升其Epyc服务器CPU产品线。即将推出的 "Rome "服务器处理器将具有多个CPU和缓存芯片核心，将这些7纳米部件与GF制造的14纳米芯片连接起来，提供与DRAM和PCI总线的I/O链接。

Krewell说，通过划分任务并为每个功能使用最佳工艺，通过高速链接连接的芯片将改变几个市场的处理器的创建方式，并指出Nvidia、英特尔和其他公司正在支持高速芯片到芯片的链接。

"在芯片设计中使用混合的工艺节点，我确实希望看到更多这样的情况。特别是I/O不能很好地扩展到7纳米，而且这些功能占用了很多空间，即使是在7纳米。有时，把I/O功能放在一个较老的芯片中是有意义的。从历史上看，作为工厂利用战略的一部分，PC芯片组是在N减1工艺中制造的。Krewell说："把这些功能放在能够处理I/O的正确工艺节点上，每个晶体管的成本不那么高，这很有意义。

Letavic说，系统公司正在要求使用各种形式的先进封装进行异质集成，包括插板、垂直硅通孔（TSV）、特殊层压板、扇出和其他。该战略也将为光子连接提供助力，因为光电子可以提供比一些电子连接所能支持的更高的比特率。

市场研究公司TECHnalysis的首席分析师Bob O'Donnell说，在全行业的标准被确定下来之前，小芯片战略仍有一段路要走。在此之前，AMD等公司将使用自己的内部技术将多个小芯片连接到SoC中。

"在某一点上，复杂性变得令人难以承受，然后公司开始寻求再次简化。问题是在多个供应商之间形成一个肥沃的生态系统，允许包装公司包装来自多个公司的不同部件。这些标准还没有被钉死。"

O'Donnell说，为每项功能使用最佳技术的努力主要是出于以7纳米工艺设计和制造大型SoC的高成本考虑，例如。

"具有讽刺意味的是，芯片的基本概念是，我们正在拆开过去已经集成的东西。该行业能够将系统集成到更少的部件中，一直到SoC，几乎所有东西都在一个芯片中。但是现在，有一个放缓，因为从技术角度来看，它是如此的困难。7纳米的设计成本非常高，而从制造的角度来看，挑战也非常大。"

Letavic说，先进的封装将提供 "芯片级和系统级的好处。我们已经在数据中心看到了它。它将继续存在，而且会越来越大"。