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| 本文作者： 包永剛 | 2020-02-21 18:04 |
雷鋒網消息，ISSCC（IEEE International Solid-State Circuits Conference，國際固態電路年度會議）作為全球學術界和企業界公認的半導體領域最高級別會議，探討的話題以及發表的論文正越來越多地成為半導體行業的風向標。今年ISSCC的議題涵蓋毫米波、機器學習、量子等熱門關鍵技術。
值得關注的是，在量子計算和神經擬態計算離商用尚早之時，先進封裝技術對于當下的半導體產業正變得越來越重要。
英特爾Lakefield處理器，來源英特爾
Chiplet與先進封裝技術
摩爾定律逼近極限以及越來越昂貴的先進半導體制程工藝，讓整個芯片產業都面臨困境。此前，業界通過將多個功能集成到單一芯片中來滿足需求，比如手機SoC。但是，SoC集成的復雜度和成本越來越高，讓這種方式面臨挑戰。
在這樣的背景下，有一些先進的處理器通過先進的封裝和高帶寬連接技術，將不同的小芯片（Chiplet）封裝成一顆芯片，讓芯片性能夠持續增加的同時保持成本的可控性，英特爾和AMD就是這種技術的重要推動力。
在ISSCC 2020上，英特爾在2月18日的SESSION 8中介紹了10nm與22FFL混合封裝的Lakefield處理器，采用的是英特爾的Foveros 3D封裝技術，封裝尺寸為12 X 12 X 1毫米。Lakefield作為英特爾首款采用了Foveros技術的產品，能夠在指甲大小的封裝中取得性能、能效的優化平衡。
Foveros 3D封裝技術，來源英特爾
Foveros封裝技術改變了以往將不同IP模塊放置在同一2D平面上的做法，改為3D立體式堆疊。做個類比，傳統的方式是將芯片設計為一張煎餅，而新的設計則是將芯片設計成1毫米厚的夾心蛋糕。這樣可以提升靈活性，并且不需要整個芯片都采用最先進的工藝，成本也可以更低。
AMD大獲成功的Epyc同樣使用類似的思路，在此次的ISSCC上，AMD在SESSION 2中介紹了使用小芯片架構的高性能服務器產品及性價比的優勢。
兩者的不同點在于，Epyc使用的是2.5D架構的封裝，英特爾使用的是3D堆疊封裝。
法國研究機構CEA-Leti在ISSCC 2020上發布的小芯片成果同樣值得關注。CEA-Leti將6個16核小芯片堆疊在有一種叫做叫做有源中介層（Active interposer）的薄硅片上。
CEA-Leti的科學主管Pascal Vivet表示，如果要允許不同技術的多個小芯片供應商集成到系統中，有源插入器是小芯片技術的最佳選擇。
“如果要將接口不兼容的A供應商的小芯片與供應商B的小芯片集成在一起，需要一種將它們‘粘合’在一起的方法?！?Pascal Vivet 說，“并且將它們‘粘合’在一起的唯一方法是使用插入器中的有源電路?！?/p>
CEA-Leti 96核芯片
插入器具有片上網絡的功能，該片上網絡使用三種不同的通信電路來連接內核的片上SRAM存儲器。速度最快的緩存L1和L2之間沒有其它電路，采用的是直接連接。接下來的L2和L3緩存，以及插入其中都需要內置一些網絡智能設備，L3緩存和外部存儲器的連接同樣如此。
據悉，該系統每平方毫米的傳輸速率可以達到3 TB/s，延遲僅為0.6納秒。
另外，插入器上還有通常在處理器中也使用的電壓調節系統。處理器通常使用稱為低壓差穩壓器的電路來調節電壓并降低功耗。而Pascal Vivet的團隊選擇了更省電的電路——開關電容器穩壓器。一般來說，這些電路的缺點是需要占用片外電容的空間，但Vivet解釋說，中介層有足夠的空間來集成電容。
這樣的設計幫該芯片實現了每平方毫米156毫瓦的功耗。
需要補充，中介層（Interposer）里包含電壓調節器和網絡，該網絡將各個部分連接在一起。有源中介層是一種3D封裝形式，無源中介層是2.5D封裝。
量子計算
除了在現有的技術上進行改進，用全新的計算方式比如量子計算和神經擬態計算來滿足新應用對計算的需求也是近年來業界關注的焦點。不過，無論是量子計算還是神經擬態計算，都還需要很長的時間才能大規模應用。
英特爾Horse Ridge
就量子計算而言，要想將量子計算應用于實際問題，就必須能擴展到數千個量子位，同時還要控制這些量子位，并保證高保真度。ISSCC 2020上，英特爾研究院聯合QuTech發布的一份研究報告，概述了其全新低溫量子控制芯片Horse Ridge的關鍵技術的三個特性：
可擴展性：采用英特爾22nm FFL（FinFET低功耗）CMOS技術部署的集成式SoC設計，將4個射頻（RF）頻道集成到一個設備之中。利用“頻率復用”技術，每一個頻道可以控制多達32個量子位。該技術將多路基帶信號調制到一系列不重疊的頻帶上，每個頻帶用來傳送單獨的信號。
利用這4個頻道，Horse Ridge可望通過單個設備控制多達128個量子位，與以往相比能顯著減少所需的電纜和機架儀表數量。
保真度：量子位數量的增加會帶來其他問題，對量子系統容量和運行提出挑戰。這方面的潛在影響之一就是量子位保真度和性能的下降。在開發Horse Ridge的過程中，英特爾優化了頻率復用技術，該技術可以支持系統擴展，并減少“相移”錯誤。相移是指在不同頻率控制多個量子位時出現的一種現象，會導致量子位之間的串擾。
Horse Ridge使用的多個頻率可以高精度“調諧”，使量子系統在用同一射頻線路控制多個量子位時，能夠適應并自動校正相移，提高量子門保真度。
靈活性：Horse Ridge可以覆蓋很寬的頻率范圍，能夠控制超導量子位（稱為傳輸子）和自旋量子位。傳輸子的頻率通常在6千兆赫（GHz）至7千兆赫左右，而自旋量子位頻率則為13千兆赫至20千兆赫左右。
英特爾正在研究硅自旋量子位，這種量子位有可能在高達1開爾文的溫度下工作。有了這項研究奠定的基礎，英特爾有望成功集成硅自旋量子位器件和Horse Ridge的低溫控制器，從而創建一種解決方案，將量子位和控制器件集成到一個精簡封裝中。
除此之外，ISSCC 2020的SESSION 19上還有題為《A 110mK 295μW 28nm FDSOI CMOS Quantum Integrated Circuit with a 2.8GHz Excitation and nA Current Sensing of an On-Chip Double Quantum Dot》以及《A 200dB FoM 4-to-5GHz Cryogenic Oscillator with an Automatic Common-Mode Resonance Calibration for Quantum Computing Applications》的報告。
含光800真身亮相
在ISSCC 2020期間，阿里巴巴在SESSION 7中介紹了基于12nm性能可以達到825TOPS的可編程神經網絡加速器含光800。含光800芯片使用的是臺積電12nm工藝生產，核心面積高達709mm2，相當于最高端的NVIDIA GPU芯片。
Wikichip網站編輯的照片展示了含光800加速卡以及加速卡的PCB。從PCB上可以看到，這個加速器使用了16相供電，這比高端顯卡的供電也只高不低。
雷鋒網參考 ISSCC、IEEE Spectrum、Wikichip、知in 雷鋒網
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