AI推動(dòng)單片SoC專向多芯片。
先進(jìn)封裝正在成為高端手機(jī)市場的關(guān)鍵差異化因素，與片上系統(tǒng)相比，它能夠?qū)崿F(xiàn)更高的性能、更大的靈活性和更快的上市時(shí)間。
單片SoC憑借其外形尺寸、成熟的經(jīng)驗(yàn)和較低的成本，很可能仍將是中低端移動(dòng)設(shè)備的首選技術(shù)。但多芯片組件提供了更大的靈活性，這對于AI推理以及跟上AI模型和通信標(biāo)準(zhǔn)的快速變化至關(guān)重要。最終，OEM廠商和芯片制造商必須確定如何在設(shè)計(jì)周期內(nèi)適應(yīng)變化，以及瞄準(zhǔn)哪些細(xì)分市場。
新思科技移動(dòng)、汽車和消費(fèi)IP產(chǎn)品管理執(zhí)行總監(jiān)兼MIPI聯(lián)盟主席HeziSaar表示：“不受手機(jī)制造商束縛的SoC供應(yīng)商必須追求具有AI功能的物聯(lián)網(wǎng)SoC低端功能，而這款產(chǎn)品肯定是單片的。如果他們需要進(jìn)軍移動(dòng)領(lǐng)域的中端市場，那么其功能將比物聯(lián)網(wǎng)更高。它也可能是單片SoC，并可能通過多芯片技術(shù)進(jìn)行擴(kuò)展。當(dāng)你走向高端時(shí)，很明顯你不能只采用單片技術(shù)。你需要具備制造多芯片的能力，以適應(yīng)即將發(fā)生的變化和快速的上市時(shí)間，因?yàn)檫@才是他們真正賺錢的地方?！?/p>
換句話說，目標(biāo)市場決定了架構(gòu)。“我們看到多芯片3D技術(shù)大勢所趨，移動(dòng)領(lǐng)域也在采用這種技術(shù)，但其發(fā)展速度比NVIDIA或AMD的HPC芯片要慢得多，后者在3D和2.5D技術(shù)上投入巨大，系統(tǒng)上多達(dá)12個(gè)芯片，”Ansys產(chǎn)品營銷總監(jiān)MarcSwinnen表示?！暗投艘苿?dòng)設(shè)備無法做到這一點(diǎn)。這主要是成本問題。他們必須專注于將盡可能多的功能集成到小尺寸的單芯片中，并實(shí)現(xiàn)低功耗和高速度?！?/p>
據(jù)英飛凌稱，單片SoC包含在單個(gè)硅片上運(yùn)行系統(tǒng)所需的所有組件，可能包括具有一個(gè)或多個(gè)處理器內(nèi)核的嵌入式微控制器；內(nèi)存系統(tǒng)，如RAM或ROM；外部接口，如電纜端口（USB、HDMI）；無線通信（WiFi、藍(lán)牙）；圖形處理單元（GPU）；以及其他組件，如模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器、電壓調(diào)節(jié)器和內(nèi)部接口總線。
盡管體積小巧（通常也正因如此），單片SoC卻極其高效，其單處理器性能通常優(yōu)于更復(fù)雜的系統(tǒng)。信號(hào)傳輸距離短，驅(qū)動(dòng)這些信號(hào)所需的功率更低，而且只需一個(gè)簡單的散熱器即可散熱。許多物聯(lián)網(wǎng)SoC供應(yīng)商都采用單片策略，因?yàn)檫@可以為客戶節(jié)省封裝和集成成本。
Synaptics低功耗邊緣AI高級產(chǎn)品經(jīng)理AnandaRoy表示：“雖然我們很難做到，但把所有功能都放在一個(gè)芯片上總是更好的。這為我們帶來了競爭優(yōu)勢，因?yàn)槲覀兊囊恍┪锫?lián)網(wǎng)競爭對手把兩個(gè)芯片放在一個(gè)封裝中，堆疊起來，或者并排放置，并稱之為單芯片解決方案。但實(shí)際上，它們只是一個(gè)封裝中的兩個(gè)不同的芯片。我們有意識(shí)地嘗試轉(zhuǎn)向單芯片解決方案，因?yàn)閺目蛻舻慕嵌葋砜矗菀准?，也更容易融入他們的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)中。我們基本上在單個(gè)芯片上構(gòu)建了多種技術(shù)?！?/p>
在高端移動(dòng)市場，情況則截然不同。該市場使用多個(gè)芯片組來提升性能，并使用更多互連來降低電阻和電容。Cadence計(jì)算解決方案事業(yè)部高級產(chǎn)品總監(jiān)MickPosner表示：“在這種情況下，計(jì)算引擎通過高性能水平芯片間接口和先進(jìn)的封裝技術(shù)進(jìn)行‘鏡像’和連接，以擴(kuò)展計(jì)算處理能力。從技術(shù)上講，這可以擴(kuò)展到在3D-IC堆棧中垂直擴(kuò)展芯片的處理能力，從而實(shí)現(xiàn)更高的互連帶寬?！?/p>
多芯片組件還能實(shí)現(xiàn)計(jì)算單元的更大多樣性，包括CPU和GPU的組合，以及高度專業(yè)化的加速器。Posner表示：“3D堆疊并不局限于相同的處理單元。AI或內(nèi)存加速器單元可以成為堆疊的一部分，從而創(chuàng)建高效的特定領(lǐng)域應(yīng)用引擎。利用先進(jìn)的3.5D封裝，還可以使用更傳統(tǒng)的芯片間互連（例如UCIe）水平連接另一個(gè)芯片。其他芯片無需與處理節(jié)點(diǎn)位于同一技術(shù)節(jié)點(diǎn)。各種節(jié)點(diǎn)的集成可以在性能和成本之間進(jìn)行權(quán)衡，同時(shí)選擇最適合應(yīng)用功能或供應(yīng)鏈彈性的節(jié)點(diǎn)?！?/p>
在千禧年的最初幾十年里，移動(dòng)市場推動(dòng)了許多尖端技術(shù)的發(fā)展。然而，隨著finFET時(shí)代平面微縮優(yōu)勢的減弱、SRAM無法微縮以及云端對海量計(jì)算能力的需求不斷增長，系統(tǒng)公司從單片SoC轉(zhuǎn)向了2.5D系統(tǒng)，通過中介層連接多個(gè)芯片。雖然移動(dòng)市場在工藝微縮方面仍處于領(lǐng)先地位，但高端移動(dòng)市場已經(jīng)超越了這一水平，擴(kuò)展到多芯片組裝——盡管目前尚不清楚移動(dòng)設(shè)備是否會(huì)采用3D-IC，因?yàn)樗鼈冃枰撤N先進(jìn)的冷卻系統(tǒng)，而這在當(dāng)今的移動(dòng)設(shè)備中并不實(shí)用。
Synopsys的Saar表示：“2.5D速度非?？欤蕵O高，而且距離極短，因此功耗非常高。這些芯片可以采用不同的工藝制造。這個(gè)芯片可以是2nm（基礎(chǔ)芯片），而AI加速器可以是其他芯片。它們非常靈活?！?/p>
高端移動(dòng)設(shè)備正在向2nm全柵(GAA)制造工藝邁進(jìn)，以實(shí)現(xiàn)高性能，但這種工藝成本高昂且生產(chǎn)時(shí)間冗長。Saar表示：“GAA工藝需要X個(gè)月才能從晶圓廠返回。你需要壓縮所有這些時(shí)間，這是最大的挑戰(zhàn)。你正在流片的東西在過去是值得量產(chǎn)的。這一次，你知道你至少需要再進(jìn)行一次流片，而且在你進(jìn)行流片的同時(shí)，規(guī)格可能還會(huì)再次演變。我原先認(rèn)為我需要70億個(gè)參數(shù)。現(xiàn)在我需要140億個(gè)參數(shù)，因?yàn)槭謾C(jī)的用例已經(jīng)發(fā)生了變化。未來我不知道會(huì)是什么樣子，但他們在引入這些功能時(shí)需要考慮到這一點(diǎn)。這就是為什么多裸片似乎是解決靈活性、不確定性和規(guī)格持續(xù)演變以及你必須采取的市場風(fēng)險(xiǎn)緩解措施的正確答案。”
Saar指出，每家手機(jī)廠商都可以根據(jù)其想要占領(lǐng)的市場數(shù)量來決定如何部署AI?！澳憧梢约梢粋€(gè)AI加速器，也可以把它放在單獨(dú)的芯片里，也可以是專用芯片，甚至可能是幾個(gè)專用的AI加速器。這取決于你想要的性能。假設(shè)我想要一個(gè)用于功能手機(jī)的基礎(chǔ)芯片。我添加了一個(gè)AI加速器芯片，這相當(dāng)于兩者之間的3D連接。現(xiàn)在，我又在芯片側(cè)面添加了一個(gè)芯片，比如說，用于I/O擴(kuò)展，因?yàn)槲蚁脒M(jìn)軍多媒體市場?，F(xiàn)在我需要更多的顯示功能。我需要EDP（電子數(shù)據(jù)處理）。SoC廠商可以將基礎(chǔ)芯片（獨(dú)立的、單片的）賣給功能手機(jī)市場。他們可以添加加速器。現(xiàn)在它變成了智能手機(jī)配置，他們可以在芯片側(cè)面添加另一個(gè)芯片。然后，它就變成了消費(fèi)設(shè)備、超級機(jī)器人或PC，他們可以運(yùn)用所有這些配置，從而進(jìn)軍不同的市場。”
通過將AI加速器放在第二個(gè)芯片上，供應(yīng)商可以獲得更好的性能，因?yàn)樗谌匀皇褂孟嗤A(chǔ)的同時(shí)進(jìn)行了優(yōu)化。“現(xiàn)在，它不再需要花費(fèi)數(shù)億美元反復(fù)旋轉(zhuǎn)硅片，而是更加穩(wěn)定了，”Saar說。
采用多芯片的另一個(gè)原因是考慮到模擬和數(shù)字信號(hào)。例如，Synaptics用于可折疊移動(dòng)OLED顯示屏的觸摸控制器可以區(qū)分握持設(shè)備、口袋撥號(hào)、水滴或汗水等情況?！拔覀兊男酒粋€(gè)模擬芯片和一個(gè)數(shù)字芯片，模擬芯片直接連接到傳感器，數(shù)字芯片處理所有這些信息，”Synaptics產(chǎn)品營銷總監(jiān)SamToba表示?！霸跀?shù)字芯片內(nèi)部，我們有一個(gè)MCU內(nèi)核，之前我們有一個(gè)內(nèi)部定制的MCU內(nèi)核，這確實(shí)有很多優(yōu)勢。但是一旦涉及到這些可折疊設(shè)備，需要處理的信息量就會(huì)變得非常非常大，因此我們決定采用RISC-V。Si-Five的E7是一個(gè)非常強(qiáng)大的MCU內(nèi)核，非常適合高水平處理，我們的矢量協(xié)處理器就位于它的外部?！?/p>
然后，AI/ML算法可以判斷環(huán)境并檢測真實(shí)的手指觸摸?！拔覀兊男酒B接到觸摸傳感器，檢測所有信號(hào)，將模擬信號(hào)輸入模擬芯片，然后在數(shù)字芯片上進(jìn)行處理，”Toba說道?！霸摂?shù)字芯片包含E7、Hydra、所有算法和內(nèi)存。一旦芯片確定觸摸是有意義的、有意的，它就會(huì)向主機(jī)SoC報(bào)告。”
內(nèi)存和通信的復(fù)雜性
與人工智能一樣，內(nèi)存也在不斷變化，并且會(huì)隨著不同的市場而變化。Saar表示，如果一家SoC供應(yīng)商瞄準(zhǔn)所有市場，他們有幾種方法可以實(shí)現(xiàn)?！八麄兛梢宰鰡纹酒５?，他們?nèi)绾芜m應(yīng)硅片的多次自旋？他們現(xiàn)在有LPDDR6，它已經(jīng)定義好了，但它會(huì)繼續(xù)發(fā)展。UFS5.0現(xiàn)在已經(jīng)定義好了，但它會(huì)繼續(xù)發(fā)展。那么，他們會(huì)再自旋一次2nm硅片嗎？還是會(huì)將其限制在其他方面？”
還有各種各樣的網(wǎng)絡(luò)需要考慮。手機(jī)芯片需要足夠靈活，才能支持新的5G/6G協(xié)議，同時(shí)繼續(xù)支持舊技術(shù)?！霸趩蝹€(gè)系統(tǒng)中支持額外的帶寬會(huì)增加數(shù)據(jù)處理的復(fù)雜性，也意味著大量的功耗，所以你必須非常高效地實(shí)現(xiàn)它，”弗勞恩霍夫IIS/EAS高效電子部門負(fù)責(zé)人AndyHeinig表示?！胺駝t，一方面，移動(dòng)設(shè)備會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)耗盡電池電量。另一方面，你還必須散熱。你有這些多物理場要求，你需要非常高效的加速器、非常高效的DSP實(shí)現(xiàn)、數(shù)據(jù)處理等等。這就是為什么每個(gè)人都越來越多地談?wù)搶Ｓ锰幚砥鞯脑?。?/p>
在前沿設(shè)計(jì)中，這在很大程度上涉及芯片集和異構(gòu)集成。在智能手機(jī)的模擬/混合信號(hào)領(lǐng)域，這可以幫助抵消多芯片組件帶來的部分額外成本。根據(jù)Cadence的白皮書，這種方法可以“靈活地為IP選擇最佳工藝節(jié)點(diǎn)——尤其是對于SerDesI/O、RF和模擬IP，這些IP無需位于‘核心’工藝節(jié)點(diǎn)上”。
電源、電池和散熱考慮因素
在高端移動(dòng)市場，供應(yīng)商正在競相支持AI。西門子數(shù)字工業(yè)軟件解決方案網(wǎng)絡(luò)專家RonSquiers表示：“iPhone15和16在板載處理中添加了AI硬件，許多智能和硬件正在硅片級別融入這些芯片中。NVIDIA等其他公司正在打造GPU。Arm正在打造Zen5[CPU]，它充當(dāng)平臺(tái)上AI硬件的協(xié)調(diào)器。亞馬遜正在開發(fā)他們的Trainium訓(xùn)練和推理芯片，因此超大規(guī)模計(jì)算廠商和移動(dòng)開發(fā)者都在做這件事。”
雖然移動(dòng)設(shè)備始終需要GPU進(jìn)行圖形處理，但最新版本的GPU也能出色地處理AI工作負(fù)載。例如，ImaginationTechnologies在其E系列GPU中，極大地改變了ALU流水線中工作負(fù)載的調(diào)度和執(zhí)行方式（見下圖5）。
Imagination技術(shù)洞察副總裁KristofBeets表示：“它曾經(jīng)擁有非常復(fù)雜、非常深的流水線，流水線級數(shù)眾多，而且流水線延遲很長。我們一直從一個(gè)非常大的寄存器存儲(chǔ)器（GPU中0.5MB大小的SRAM）中持續(xù)提供數(shù)據(jù)——因此，這是一個(gè)非常大容量、緊密耦合的大型內(nèi)存。問題是，如果你在每個(gè)周期都不斷地從中獲取大量數(shù)據(jù)，然后將其推送到這個(gè)流水線，并且在每個(gè)周期都寫出結(jié)果，那會(huì)非常耗電?！?/p>
新設(shè)計(jì)采用了更輕量級的流水線，只有兩級流水線，并且可以在本地重用更多數(shù)據(jù)?！拔覀儾粫?huì)不斷訪問龐大的SRAM，而是嘗試重用我們附近的已有數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)可以是之前的結(jié)果，也可以是相鄰流水線中的數(shù)據(jù)。因?yàn)槿绻阌^察很多人工智能案例，就會(huì)發(fā)現(xiàn)你經(jīng)常會(huì)通過一系列處理操作來對數(shù)據(jù)進(jìn)行混洗和傳輸，并從相鄰的流水線中獲取數(shù)據(jù)?！?/p>
由此帶來的幀/秒/瓦效率提升可以轉(zhuǎn)化為更長的手機(jī)電池續(xù)航時(shí)間?！斑@可能會(huì)影響運(yùn)營成本，但我們在移動(dòng)領(lǐng)域可以做的另一件有趣的事情是，將額外的功耗節(jié)省轉(zhuǎn)化為更高的時(shí)鐘頻率和性能，因?yàn)槲覀兛梢员３窒嗤墓暮蜔犷A(yù)算，”Beets說道。
無論設(shè)計(jì)師如何實(shí)現(xiàn)更佳性能，功耗仍然是一個(gè)關(guān)鍵問題?！叭缃?，每個(gè)人都對功耗很感興趣，甚至連數(shù)據(jù)中心的人員也不例外，但移動(dòng)設(shè)備的傳統(tǒng)業(yè)務(wù)歷史更為悠久，而且它們采用電池供電，因此它們在低功耗方面的需求更為突出，”Ansys的Swinnen說道。
除了每日電池續(xù)航時(shí)間，手機(jī)制造商還必須考慮電池壽命。手機(jī)的每個(gè)方面都會(huì)產(chǎn)生影響，包括SIM卡。為此，英飛凌開發(fā)了一款微型28納米eSIM卡，其功耗遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)SIM卡。eSIM卡允許用戶輕松切換不同的服務(wù)提供商，同時(shí)由于無需物理訪問，制造商在設(shè)計(jì)方面也更加靈活。
結(jié)論
手機(jī)供應(yīng)商根據(jù)他們所針對的價(jià)格層級以及他們現(xiàn)在或?qū)硐胍獙?shí)現(xiàn)的AI功能和通信標(biāo)準(zhǔn)，采取不同的芯片設(shè)計(jì)方法。
Synopsys的Saar指出，設(shè)計(jì)決策通常歸結(jié)于商業(yè)原因?！斑@就像你問為什么一個(gè)特定的標(biāo)準(zhǔn)會(huì)流行起來，而不是一個(gè)技術(shù)上可能更優(yōu)越的標(biāo)準(zhǔn)。原因有很多，現(xiàn)在這個(gè)或那個(gè)并不重要。如果一家供應(yīng)商控制著整個(gè)垂直產(chǎn)業(yè)鏈，他們就不必使用標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)成的虛擬制作(VP)攝像頭接口或任何存儲(chǔ)接口。他們可以創(chuàng)建自己的接口，即使質(zhì)量較差。在他們看來，他們可以獲得各種程度的利益，也許是更高水平的集成和卓越的運(yùn)營?！?/p>
與此同時(shí)，許多新進(jìn)入者正在這個(gè)競爭激烈的細(xì)分市場中開辟自己的道路?！八麄冞^去只做手機(jī)，現(xiàn)在也做SoC，”Saar說道?！皩λ麄儊碚f，情況完全不同。他們可以進(jìn)行不同的優(yōu)化。他們不必涉足廣泛領(lǐng)域，因?yàn)樗麄冎魂P(guān)心自己的手機(jī)。他們只關(guān)心自己的用例。有些公司在整個(gè)市場，而不僅僅是移動(dòng)市場，都擁有AI地位。我們正在制定超越硬件的企業(yè)戰(zhàn)略或全球戰(zhàn)略。也許混合戰(zhàn)略對他們來說確實(shí)有意義，因?yàn)槲蚁Ｍ謾C(jī)能夠連接到云端的AI引擎，因?yàn)楝F(xiàn)在我有了差異化。你買我的手機(jī)，你連接到我的云端，你連接到我的電子郵件。一般的SoC沒有這些。他們賣的是硬件?！?/p>
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