芯片如何高效互联？Die-to-Die技术助力Chiplet异构计算

当芯片设计师为摩尔定律逼近物理极限而苦恼时，是否曾思考过如何在不缩小制程的情况下大幅提升算力？Die-to-Die互连技术正在成为破解这一难题的关键——通过先进封装和高速接口，将多个不同工艺、不同功能的芯粒集成在一起，实现性能的指数级增长。这项技术不仅让AMD的MI300系列APU成功集成1460亿个晶体管，更让超大规模异构计算成为可能。今天，我们将深入解析Die-to-Die互连技术的原理、实现路径与应用前景。

Die-to-Die互连的核心价值与技术原理

Die-to-Die互连本质上是一种芯片级的高速通信技术，允许两个或多个裸片（die）在极近距离内进行数据交换。与传统板级互联相比，Die-to-Die互连将通信距离从厘米级缩短到毫米甚至微米级，这使得带宽可提升数个数量级，而功耗却大幅降低。

技术实现需要多层面创新。在物理层，采用高速串行接口技术，通过微凸块（microbump）或硅通孔（TSV）实现芯粒间的物理连接。电气层确保信号完整性，通过均衡技术、时钟数据恢复（CDR）等方案补偿信道损耗。协议层则定义数据包格式和流控机制，确保可靠传输。

带宽优势特别明显。奇异摩尔基于UCIe标准提供的Die-to-Die IP，能实现高带宽、低延时、低功耗的连接，支持2.5D/3D等多种封装形态。这种带宽提升对于需要频繁数据交换的AI计算场景尤为重要，因为大模型训练中服务器间的同步通信量可能高达百GB级别。

功耗效率是另一大优势。由于互连距离极大缩短，信号传输所需能量显著降低，这在大规模计算集群中意味着可观的总体节能。对于追求绿色计算的数据中心来说，这一特性极具吸引力。

设计灵活性由此增强。通过Die-to-Die互连，设计师可以采用"混合制程"策略——对计算密集型单元使用先进制程，对I/O等模块采用成熟制程，优化整体成本和性能。

技术标准与互连协议演进

Die-to-Die互连的标准化进程正在加速。UCIe（Universal Chiplet Interconnect Express）成为*具前景的开放标准，旨在实现不同厂商芯粒间的互操作。该标准定义了物理层、协议层等多个层面的规范，为生态建设奠定基础。

协议栈通常分为三层：物理层负责电气信号传输；链路层处理数据包化和流控；协议层则定义事务类型和内存语义。这种分层设计使上层应用可以不受底层物理实现变化的影响。

兼容性挑战仍然存在。虽然标准在推进，但当前市场上同时存在多种互连方案，如英伟达的NVLink、AMD的Infinity Fabric等专有协议。这种碎片化状况在一定程度上影响了芯粒的跨平台复用。

性能指标持续提升。新一代Die-to-Die接口正在向更高带宽、更低延迟方向发展。奇异摩尔的高性能RDMA引擎能够达到800G传输速率、几百纳秒的延时，并引入了拥塞监测与处理算法，提高大规模网络中的传输效率。

测试验证变得愈发重要。由于涉及多个芯粒协同，传统的测试方法已不适用，需要新的DFT（Design for Test）策略和检测技术来确保系统可靠性。

先进封装技术的支撑作用

Die-to-Die互离不开先进封装技术的支撑。2.5D封装使用硅中介层（interposer）或重新分布层（RDL）实现芯粒互连，提供高于传统基板的布线密度和更好的信号完整性。

3D封装则进一步通过垂直堆叠提升集成密度。奇异摩尔研发的通用3D Base Die通过芯粒3D堆叠提升芯片算力密度，并集成die-to-die 3D接口和Cache模块，实现更**的垂直互联。

热管理成为关键挑战。3D堆叠产生的热量更为集中，需要创新的散热方案，如微流道冷却、热电冷却等。这些热解决方案直接影响芯片的可靠性和寿命。

应力控制同样重要。不同材料的热膨胀系数差异可能导致封装后产生机械应力，影响良率和长期可靠性。通过材料创新和设计优化可以缓解这一问题。

成本考量需平衡。虽然先进封装增加了额外成本，但通过提高良率、降低芯片面积和实现混合制程，总体成本可能反而降低。研究表明，当5nm芯片面积达到200mm^2以上时，采用Chiplet方案成本开始低于单颗SoC。

在超大规模计算中的应用实践

Die-to-Die互连在超大规模计算中发挥关键作用。NVIDIA的DGX GH200超级计算机通过NVLink和InfiniBand形成超大规模集群，将CPU和GPU组合处理数据集。这种架构实现了从底层到顶层的全链路互联网络体系，互联性能提升数十倍。

AMD的MI300系列APU集成了三种Chiplet芯粒（Base layer、GPU GCDS、CPU CCDs）与不同规格HBM灵活搭配，形成丰富产品组合。这种设计显著降低了研发成本和量产成本。

特斯拉的Dojo训练芯片采用Chiplet进行系统垂直重构，每个训练Tile含25颗D1 Chiplet，6个Tile加20个接口处理器形成一个Dojo Tray。这种架构支持大规模并行计算，满足深度学习训练需求。

互联效率直接影响系统性能。超大规模计算集群中，互联瓶颈可能成为主要限制因素。通过Die-to-Die互连实现的片内异构集成，在带宽、延时、功耗上相比板级或机架级互联有显著优势。

规模扩展性通过Die-to-Die技术得到改善。奇异摩尔的IO Die作为一个高速数据存储及调度核心，集成Die-to-Die接口和多种高速接口，将各个节点通过Kiwi Fabric网络互连，并通过自定义算法实现数据流、信息流的分发调度。

设计流程与工具链支持

采用Die-to-Die互连需要全新的设计流程。传统SoC设计工具不足以处理多芯粒系统的复杂性，需要新的EDA工具支持芯粒协同设计、仿真和验证。

架构探索变得更为重要。设计师需要权衡功能划分、互连拓扑、封装选择等多个变量。虚拟原型和性能建模工具可以帮助在早期评估不同方案的PPA（性能、功耗、面积）指标。

系统协同优化至关重要。由于芯粒间紧密耦合，需要跨物理设计、封装设计、系统设计的多团队协作。这种协作需要共享的设计环境和数据管理平台。

测试验证复杂度增加。多芯粒系统需要新的测试策略，包括芯粒预处理、互连测试、系统级测试等。IEEE P1838等标准正在制定相关DFT方法。

工具链集成成为挑战。需要将芯粒设计、互连设计、封装设计、系统验证等工具集成到统**程中，并提供良好的用户体验和数据一致性。

面临的挑战与应对策略

Die-to-Die互连仍面临多项挑战。标准化不足影响生态发展。当前互连标准尚未完全统一，不同厂商的方案存在兼容性问题。推动开放标准如UCIe的普及是解决这一问题的关键。

信号完整性难度随速率提升。当数据速率达到更高水平时，信道损耗、串扰、抖动等问题变得更加突出。需要采用更先进的均衡技术、编码方案和材料创新来应对。

电源完整性同样重要。多芯粒系统往往需要跨域供电，电流密度大，电压降问题显著。通过3D集成中的分布式供电网络和**电压调节器可以改善这一情况。

热管理挑战尤为突出。3D堆叠使功率密度急剧增加，热点温度可能影响器件可靠性和寿命。需要集成更**的散热解决方案，如微流道冷却、热电冷却等。

成本控制需要平衡。虽然Chiplet可以降低某些成本，但先进封装和测试的增加可能抵消这部分优势。通过标准化、规模化和技术成熟化可以逐步降低成本。

个人观点：Die-to-Die互连的未来发展

在我看来，Die-to-Die互连技术将向更**更智能的方向演进。光学互连可能成为下一代技术。随着速率提升，电互连的功耗和距离限制越来越明显，硅光技术提供了一种潜在解决方案，尤其适合芯粒间更长距离的通信。

异质集成将进一步发展。不仅限于数字芯粒，未来可能集成光电子、MEMS、射频甚至生物芯片等异质组件，形成功能更丰富的系统。这种集成需要新的互连技术和接口标准。

智能互连成为趋势。通过引入智能路由、拥塞控制、服务质量等功能，互连网络可以更好地适应不同工作负载和数据类型，提高整体效率。这种智能化对于大规模异构计算尤其重要。

Chiplet生态系统将逐步成熟。随着标准统一和工具链完善，可能出现专业的芯粒供应商和设计服务公司，形成类似SoC时代IP产业的生态模式。这种专业化分工有助于降低设计门槛和加速创新。

从更广阔的视角看，计算范式可能因Die-to-Die互连而改变。通过近内存计算、存算一体等架构创新，结合高速互连，可以突破存储墙限制，实现更高能效的计算。奇异摩尔与复旦大学的"芯斋"项目就是这种探索的例证。

然而，安全挑战不容忽视。多芯粒系统增加了硬件攻击面，需要新的安全机制来保护芯粒间通信和数据安全。可信执行环境、硬件加密等技术可能被广泛应用。

可靠性工程需要加强。多芯粒系统的故障模式更复杂，需要系统级的容错设计和可靠性建模。这对于汽车、航空等安全关键领域尤为重要。

问答环节

Q：Die-to-Die互连与传统板级互联主要区别是什么？

A：主要区别在距离、带宽和功耗。Die-to-Die互连距离是毫米或微米级，而板级互联是厘米级；Die-to-Die带宽可达数Tbps，比板级互联高1-2个数量级；Die-to-Die功耗通常远低于板级互联，因为驱动距离短且信号完整性更易控制。

Q：UCIe标准对Die-to-Die互连发展有何意义？

A：UCIe标准的意义在于提供开放、统一的互连标准，使不同厂商的芯粒能够互操作，促进Chiplet生态系统发展。它定义了物理层、协议层等多层规范，降低了设计和集成难度，有助于加速Die-to-Die技术的普及和应用。

Q：Die-to-Die互连的主要技术挑战是什么？

A：主要挑战包括信号完整性（高速下的损耗和串扰）、电源完整性（电流密度和电压降）、热管理（功率密度和散热）、标准化（协议和接口统一）以及测试验证（多芯粒系统测试策略）。这些挑战需要跨领域的协同创新来解决。

Q：小企业如何应用Die-to-Die互连技术？

A：小企业可以通过使用标准互连接口（如UCIe）、购买商用芯粒IP、利用设计服务和代工支持来应用该技术。随着生态成熟，可能会出现更多第三方芯粒供应商和设计服务公司，降低小企业的使用门槛。

根据行业预测，Chiplet市场正在快速增长，2023年全球市场规模约31亿美元，预计到2024年将达到44亿美元，2024-2033年复合年均增长率预计达42.5%，到2033年市场规模有望达到1070亿美元。这种增长为Die-to-Die互连技术提供了广阔的发展空间。