沈榮嘉

AI推動單片SoC專向多芯片。

先進封裝正在成為高端手機市場的關(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間。

單片SoC憑借其外形尺寸、成熟的經(jīng)驗和較低的成本，很可能仍將是中低端移動設備的首選技術(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模型和通信標準的快速變化至關(guān)重要。最終，OEM廠商和芯片制造商必須確定如何在設計周期內(nèi)適應變化，以及瞄準哪些細分市場。

新思科技移動、汽車和消費IP產(chǎn)品管理執(zhí)行總監(jiān)兼MIPI聯(lián)盟主席HeziSaar表示：“不受手機制造商束縛的SoC供應商必須追求具有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。如果他們需要進軍移動領域的中端市場，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)進行擴展。當你走向高端時，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，以適應即將發(fā)生的變化和快速的上市時間，因為這才是他們真正賺錢的地方。”

換句話說，目標市場決定了架構(gòu)。“我們看到多芯片3D技術(shù)大勢所趨，移動領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12個芯片，”Ansys產(chǎn)品營銷總監(jiān)MarcSwinnen表示。“低端移動設備無法做到這一點。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，并實現(xiàn)低功耗和高速度?！?/p>

據(jù)英飛凌稱，單片SoC包含在單個硅片上運行系統(tǒng)所需的所有組件，可能包括具有一個或多個處理器內(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)于更復雜的系統(tǒng)。信號傳輸距離短，驅(qū)動這些信號所需的功率更低，而且只需一個簡單的散熱器即可散熱。許多物聯(lián)網(wǎng)SoC供應商都采用單片策略，因為這可以為客戶節(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芯片上總是更好的。這為我們帶來了競爭優(yōu)勢，因為我們的一些物聯(lián)網(wǎng)競爭對手把兩個芯片放在一個封裝中，堆疊起來，或者并排放置，并稱之為單芯片解決方案。但實際上，它們只是一個封裝中的兩個不同的芯片。我們有意識地嘗試轉(zhuǎn)向單芯片解決方案，因為從客戶的角度來看，它更容易集成，也更容易融入他們的硬件系統(tǒng)設計中。我們基本上在單個芯片上構(gòu)建了多種技術(shù)?！?/p>

在高端移動市場，情況則截然不同。該市場使用多個芯片組來提升性能，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，計算引擎通過高性能水平芯片間接口和先進的封裝技術(shù)進行‘鏡像’和連接，以擴展計算處理能力。從技術(shù)上講，這可以擴展到在3D-IC堆棧中垂直擴展芯片的處理能力，從而實現(xiàn)更高的互連帶寬?！?/p>

多芯片組件還能實現(xiàn)計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)建高效的特定領域應用引擎。利用先進的3.5D封裝，還可以使用更傳統(tǒng)的芯片間互連（例如UCIe）水平連接另一個芯片。其他芯片無需與處理節(jié)點位于同一技術(shù)節(jié)點。各種節(jié)點的集成可以在性能和成本之間進行權(quán)衡，同時選擇最適合應用功能或供應鏈彈性的節(jié)點?！?/p>

在千禧年的最初幾十年里，移動市場推動了許多尖端技術(shù)的發(fā)展。然而，隨著finFET時代平面微縮優(yōu)勢的減弱、SRAM無法微縮以及云端對海量計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芯片。雖然移動市場在工藝微縮方面仍處于領先地位，但高端移動市場已經(jīng)超越了這一水平，擴展到多芯片組裝——盡管目前尚不清楚移動設備是否會采用3D-IC，因為它們需要某種先進的冷卻系統(tǒng)，而這在當今的移動設備中并不實用。

Synopsys的Saar表示：“2.5D速度非?？?，效率極高，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。這個芯片可以是2nm（基礎芯片），而AI加速器可以是其他芯片。它們非常靈活?！?/p>

高端移動設備正在向2nm全柵(GAA)制造工藝邁進，以實現(xiàn)高性能，但這種工藝成本高昂且生產(chǎn)時間冗長。Saar表示：“GAA工藝需要X個月才能從晶圓廠返回。你需要壓縮所有這些時間，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行一次流片，而且在你進行流片的同時，規(guī)格可能還會再次演變。我原先認為我需要70億個參數(shù)?，F(xiàn)在我需要140億個參數(shù)，因為手機的用例已經(jīng)發(fā)生了變化。未來我不知道會是什么樣子，但他們在引入這些功能時需要考慮到這一點。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險緩解措施的正確答案?！?/p>

Saar指出，每家手機廠商都可以根據(jù)其想要占領的市場數(shù)量來決定如何部署AI。“你可以集成一個AI加速器，也可以把它放在單獨的芯片里，也可以是專用芯片，甚至可能是幾個專用的AI加速器。這取決于你想要的性能。假設我想要一個用于功能手機的基礎芯片。我添加了一個AI加速器芯片，這相當于兩者之間的3D連接?，F(xiàn)在，我又在芯片側(cè)面添加了一個芯片，比如說，用于I/O擴展，因為我想進軍多媒體市場。現(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廠商可以將基礎芯片（獨立的、單片的）賣給功能手機市場。他們可以添加加速器?，F(xiàn)在它變成了智能手機配置，他們可以在芯片側(cè)面添加另一個芯片。然后，它就變成了消費設備、超級機器人或PC，他們可以運用所有這些配置，從而進軍不同的市場。”

通過將AI加速器放在第二個芯片上，供應商可以獲得更好的性能，因為它在仍然使用相同基礎的同時進行了優(yōu)化?！艾F(xiàn)在，它不再需要花費數(shù)億美元反復旋轉(zhuǎn)硅片，而是更加穩(wěn)定了，”Saar說。

采用多芯片的另一個原因是考慮到模擬和數(shù)字信號。例如，Synaptics用于可折疊移動OLED顯示屏的觸摸控制器可以區(qū)分握持設備、口袋撥號、水滴或汗水等情況?！拔覀兊男酒粋€模擬芯片和一個數(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MCU內(nèi)核，之前我們有一個內(nèi)部定制的MCU內(nèi)核，這確實有很多優(yōu)勢。但是一旦涉及到這些可折疊設備，需要處理的信息量就會變得非常非常大，因此我們決定采用RISC-V。Si-Five的E7是一個非常強大的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)境并檢測真實的手指觸摸?！拔覀兊男酒B接到觸摸傳感器，檢測所有信號，將模擬信號輸入模擬芯片，然后在數(shù)字芯片上進行處理，”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，它就會向主機SoC報告?！?/p>

內(nèi)存和通信的復雜性

與人工智能一樣，內(nèi)存也在不斷變化，并且會隨著不同的市場而變化。Saar表示，如果一家SoC供應商瞄準所有市場，他們有幾種方法可以實現(xiàn)?！八麄兛梢宰鰡纹酒?。但是，他們?nèi)绾芜m應硅片的多次自旋？他們現(xiàn)在有LPDDR6，它已經(jīng)定義好了，但它會繼續(xù)發(fā)展。UFS5.0現(xiàn)在已經(jīng)定義好了，但它會繼續(xù)發(fā)展。那么，他們會再自旋一次2nm硅片嗎？還是會將其限制在其他方面？”

還有各種各樣的網(wǎng)絡需要考慮。手機芯片需要足夠靈活，才能支持新的5G/6G協(xié)議，同時繼續(xù)支持舊技術(shù)。“在單個系統(tǒng)中支持額外的帶寬會增加數(shù)據(jù)處理的復雜性，也意味著大量的功耗，所以你必須非常高效地實現(xiàn)它，”弗勞恩霍夫IIS/EAS高效電子部門負責人AndyHeinig表示?！胺駝t，一方面，移動設備會在很短的時間內(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實現(xiàn)、數(shù)據(jù)處理等等。這就是為什么每個人都越來越多地談論專用處理器的原因?！?/p>

在前沿設計中，這在很大程度上涉及芯片集和異構(gòu)集成。在智能手機的模擬/混合信號領域，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——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)點上”。

電源、電池和散熱考慮因素

在高端移動市場，供應商正在競相支持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]，它充當平臺上AI硬件的協(xié)調(diào)器。亞馬遜正在開發(fā)他們的Trainium訓練和推理芯片，因此超大規(guī)模計算廠商和移動開發(fā)者都在做這件事?！?/p>

雖然移動設備始終需要GPU進行圖形處理，但最新版本的GPU也能出色地處理AI工作負載。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。我們一直從一個非常大的寄存器存儲器（GPU中0.5MB大小的SRAM）中持續(xù)提供數(shù)據(jù)——因此，這是一個非常大容量、緊密耦合的大型內(nèi)存。問題是，如果你在每個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流水線，并且在每個周期都寫出結(jié)果，那會非常耗電?！?/p>

新設計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粩嘣L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)。因為如果你觀察很多人工智能案例，就會發(fā)現(xiàn)你經(jīng)常會通過一系列處理操作來對數(shù)據(jù)進行混洗和傳輸，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)化為更長的手機電池續(xù)航時間?！斑@可能會影響運營成本，但我們在移動領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)化為更高的時鐘頻率和性能，因為我們可以保持相同的功耗和熱預算，”Beets說道。

無論設計師如何實現(xiàn)更佳性能，功耗仍然是一個關(guān)鍵問題?！叭缃?，每個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，但移動設備的傳統(tǒng)業(yè)務歷史更為悠久，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)航時間，手機制造商還必須考慮電池壽命。手機的每個方面都會產(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，其功耗遠低于傳統(tǒng)SIM卡。eSIM卡允許用戶輕松切換不同的服務提供商，同時由于無需物理訪問，制造商在設計方面也更加靈活。

結(jié)論

手機供應商根據(jù)他們所針對的價格層級以及他們現(xiàn)在或?qū)硐胍獙崿F(xiàn)的AI功能和通信標準，采取不同的芯片設計方法。

Synopsys的Saar指出，設計決策通常歸結(jié)于商業(yè)原因。“這就像你問為什么一個特定的標準會流行起來，而不是一個技術(shù)上可能更優(yōu)越的標準。原因有很多，現(xiàn)在這個或那個并不重要。如果一家供應商控制著整個垂直產(chǎn)業(yè)鏈，他們就不必使用標準的現(xiàn)成的虛擬制作(VP)攝像頭接口或任何存儲接口。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營?！?/p>

與此同時，許多新進入者正在這個競爭激烈的細分市場中開辟自己的道路。“他們過去只做手機，現(xiàn)在也做SoC，”Saar說道?！皩λ麄儊碚f，情況完全不同。他們可以進行不同的優(yōu)化。他們不必涉足廣泛領域，因為他們只關(guān)心自己的手機。他們只關(guān)心自己的用例。有些公司在整個市場，而不僅僅是移動市場，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)略對他們來說確實有意義，因為我希望手機能夠連接到云端的AI引擎，因為現(xiàn)在我有了差異化。你買我的手機，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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