关于台积电自研芯片性能分析和应用

昨天，有一则关于台积电自研芯片的文章刷爆了笔者的朋友圈。行业内的媒体的报道尚算中肯，也就是谈了台积电做了一个什么样的芯片，提供了怎么样的一个Demo，但有些标题党的作者甚至用“台积电要抢高通生意”这样的字眼来吸引读者。无论如何，这都与笔者所了解的台积电不一样。

随着基于小芯片（chiplet）的设计从研究转向生产，我们看到了来自工业界的小芯片论文的新流入。本月早些时候在日本京都举行的VLSI 2019上，台积电展示了自己的“小芯片”设计。

据雷锋网的报道，所谓“chiplet”是一种芯片，封装了一个IP（知识产权）子系统。它通常是通过高级封装集成，或者是通过标准化接口使用。至于它们为什么会变得如此重要，这是因为我们的计算和工作类型呈爆炸式增长，目前没有一种全能的办法来应对这些问题。从根本上说，对一流技术的异构集成是延续摩尔定律的一种方式。

使用基于小芯片的设计具有一些显著优点，例如更快的开发周期和更高的产量来降低成本。但它也带来了一系列新的挑战，这些挑战源于在基于小芯片的设计中追求类似单片产品（monolithic-like）的功耗和性能特性。因此，当中的主要挑战是互连和封装技术。虽然这些挑战仍然悬而未决，但已经有多种具有不同性质的解决方案被提出。在超大规模集成电路研讨会上，台积电展示了他们的一些技术，试图解决这些挑战。

台积电试图验证的三个主要特性是：

ARM核心在4 GHz以上工作

Bidir互连网状总线（Interconnect Mesh）在4 GHz以上

CoWoS和LIPINCON的速度为8 GT / s且<1 pJ / bit

值得注意的是，此研究和技术验证旨在用于高性能计算。因此，这些内核拥有非常高的时钟，高速率的内部互联速率，以及高密度线路和每比特传输极低功率的芯片间链路（inter-chip links with high-density wires and very low power per bit transfer）。

首先看芯片方面；

该芯片本身是一种双小芯片设计，但该技术本身可以通过额外的物理层（PHYS）相对容易地扩展到容纳更大数量的小芯片。每个小芯片都是在台积电7纳米节点上制造，拥有15个金属层。裸片本身只有4.4 mm×6.2 mm（27.28 mm²）。台积电采用了四个ARM Cortex-A72核。针对turbo频率大于4GHz电压操作，配备了高性能的cell（7.5T，3p + 3n）并定制设计1级高速缓存单元。还有两个2级缓存块。每个是1 MiB。这些是使用它们的高电流位单元（bitcells）并以半速运行来实现的。此外还有一个大型的6 MiB 3级缓存，使用高密度位单元实现，并以四分之一速度运行。

台积电采用了在高性能芯片中常见增强功能。典型的h-tree被用来将时钟分布的偏差从22ps减少到8ps。高性能时钟偏差以及via towers被广泛用于进一步改善关键路径上的时序。统计显示，整个设计共有五个电压域（voltage domains）：0.8V SOC、0.8V ADPLL、0.3-0.8V Lipincon、0.8V L3和0.3-1.2V CPU。该芯片采用全数字锁相环，其抖动小于10ps，用于为CPU、互连和内存生成三个时钟域（clock domains ）。

在1.20的电压下，Cortex核可以达到4GHz (signoff).。这个数字是基于运行Dhrystone模式工作负载的核心测量得到的。

其次来看一下网状互连（Mesh Interconnect）；

该裸片包括网状互连。互连测试可通过片上分组生成单元（on-die packet generation unit ）和分组监控单元（packet monitoring unit）完成。有六个双向触发器（bi-directional flip-flop）网格站（mesh stations）——每个边缘一个，中间两个。这些工作站围绕整个小芯片，间隔大约2毫米。网状互连是1968位宽，并使用具有相反方向信号（opposite direction signals ）的逐位交错线路（bit-wise-interleaved wires ）在M12和M13中布线，以最小化耦合（ minimize coupling）。

总之，片上网状互连（on-die mesh interconnect）可以在4 GHz（0.8 V）到5 GHz（1.2 V）之间正常工作。缓存和Cortex集群都连接到最近的左下角（bottom-left ）网格停止点（垂直方向时）。

互连可在0.76V下达到4GHz的频率。

再看一下芯片互联；

每个小芯片上都有两个LIPINCON（Low-voltage-In-Package-INterCONnect简称）接口。每个物理层的测量值仅为0.42 mm×2.4 mm（1.008 mm²）。这些是单端（single-ended），单向（unidirectional），低摆幅接口（low-swing interfaces）。一个接口用作与L3通信的主设备，而第二个接口是用于相反方向的从设备。

与SoC的其他部分不同，由于电源接地（power-ground）噪声问题，专用时钟有一个独立的PLL。每个物理层使用2：1多路复用功能，以便将速度加速到8 Gb / s。每个子通道有两个延迟锁相环（ DLL）：一个减少PVT变化，另一个用于减少时钟偏差，使系统级芯片和物理层之间的时钟相位对齐。由于使用单相锁相环，因此会采用两个环路——第一个环路锁定进入的时钟周期，并将其分为八个相位，第二个环路将该相位分为16个步骤。换句话说，在4 GHz（250 ps）下，您将看到低于2 ps的分辨率。

在本篇论文中，两个裸片连在一起。第二个小芯片旋转180度，用于LIPINCON PHY基台（abutment）。

芯片本身采用了台积电COWOS（Chip on Wafer on Substrate）2.5D封装技术，也就是将逻辑芯片和DRAM 放在硅中介层（interposer）上，然后封装在基板上。台积电在这里应用，就意味着硅中介层（silicon interposer）将用作安装在其上的两个相同小芯片的基板。

使用硅中介层可以采用更小的凸块（bumps），使得小芯片之间的导线更密集和更低。在这种设计中，使用了一个非常激进的40µm的微凸距，两个裸片之间只有100微米的间隔。

我们最后来看一下技术比较；

在两倍的时钟速度下，物理层运算速度为8GT/s。在互连宽度（ interconnect width）为320位时，两个裸片之间的总带宽为320 GB / s。在40μm的bump pitch 下，这实际上是我们在最近的芯片设计中看到的最激进的间距之一，它还可以达到1.6 Tb / s /mm²的数据通量。下表对比了AMD和Intel最近的两款小芯片设计。值得一提的是，英特尔之前曾提到过EMIB（嵌入式多芯片互连），其bump pitches为45μm，甚至将电流密度增加一倍至35μm。

但是，到目前为止，我们还没有发现任何能够证明这些功能的英特尔产品（包括Kaby Lake G）。