文 | 芯東西 ZeR0

編輯 | 漠影

芯東西3月3日消息，全球三大芯片制造商英特爾、臺積電、三星，封測龍頭日月光，以及x86和Arm生態(tài)的頂尖芯片設(shè)計公司AMD、Arm、高通，谷歌云、微軟、Meta等科技巨頭強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)手，推出了一個全新的通用芯片互連標(biāo)準(zhǔn)——UCIe！

UCIe網(wǎng)站：https://www.uciexpress.org

該標(biāo)準(zhǔn)專為chiplet（又名芯粒、小芯片）而生，希望為封裝創(chuàng)新構(gòu)建一個開放的chiplet生態(tài)系統(tǒng)，不僅簡化所有相關(guān)環(huán)節(jié)的流程，而且提供跨芯片制造商、跨制程節(jié)點的芯片產(chǎn)品，讓不同制造商的chiplet之間的互通混搭成為可能。

過去五年左右間，chiplet逐漸成為芯片設(shè)計業(yè)的一個主流趨勢。它通過die-to-die互連技術(shù)，將多個滿足特定功能的不同模塊芯片，像搭樂高積木般進(jìn)行組裝，從而構(gòu)成一個具備多種功能的異構(gòu)芯片，有助于解決芯片制造成本、芯片設(shè)計整體可擴(kuò)展性等諸多問題。

如今，經(jīng)過多年磨礪后，這一技術(shù)終于迎來里程碑時刻——英特爾、AMD、Arm、日月光、谷歌云、微軟、Meta、高通、三星、臺積電聯(lián)合起來，正在打造一個新的開放芯片互連標(biāo)準(zhǔn)UCIe，且UCIe 1.0規(guī)范現(xiàn)已發(fā)布。

值得注意的是，英偉達(dá)并未出現(xiàn)在這個聯(lián)盟的成員名單中，我們也暫未看到RISC-V的身影。

01.發(fā)展chiplet互連標(biāo)準(zhǔn)是大勢所趨

在摩爾定律日漸式微的背景下，芯片制造商正努力應(yīng)對日益困難的規(guī)模問題，通過降低成本、在單個封裝中使用不同類型的工藝節(jié)點等方法來繼續(xù)優(yōu)化芯片，能縮短整體芯片開發(fā)生產(chǎn)流程、降低成本的chiplet漸漸走向主流。

借助chiplet技術(shù)，一個大型芯片不需要全部使用昂貴的7nm、5nm等先進(jìn)制程，而是可以根據(jù)自身需求，混合搭配由多個芯片制造商、多個制程節(jié)點制造的芯片模塊，將它們封裝在一起。這樣既有助于提高效率，又減少了經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。

對性能與效率的追求，也驅(qū)使人們對chiplet產(chǎn)生持續(xù)的興趣。PCIe按照芯片標(biāo)準(zhǔn)來看偏慢，延遲較高，且數(shù)據(jù)傳輸能耗偏高，因此芯片制造商希望將更多功能集成到芯片中來降低延遲和功耗。

如果用chiplet實現(xiàn)，這或許能將性能提高20倍以上，或者將功耗降為原來的1/20。

然而chiplet之間缺乏標(biāo)準(zhǔn)化的連接，市面上有大量定制的專有互連，現(xiàn)代芯片很難實現(xiàn)與其他設(shè)計即插即用。此外，芯片設(shè)計和互連的標(biāo)準(zhǔn)化確認(rèn)（validation）和驗證（verification）長期欠缺，使得芯片生態(tài)系統(tǒng)無法實現(xiàn)。

這就是UCIe聯(lián)盟想要做的事——實現(xiàn)chiplet（如核心、內(nèi)存和I/O）之間的標(biāo)準(zhǔn)化連接。

02.分層協(xié)議，支持2D和2.5D封裝

UCIe是一個分層協(xié)議，包含物理層、Die-to-Die適配器和協(xié)議層。

如上圖所示，物理層可由來自多家公司所有類型的當(dāng)前封裝選項組成，包括2D封裝、2.5D封裝，如英特爾EMIB、臺積電CoWoS、日月光FoCoS-B等方法。該標(biāo)準(zhǔn)未來也將擴(kuò)展至3D封裝互連。

在物理層，其初始規(guī)范列出了芯片將用于相互通信的電子信號標(biāo)準(zhǔn)、lane數(shù)量、凸塊間距（bump pitch，連接密度）和溝道長度等指標(biāo)。只要一個chiplet符合標(biāo)準(zhǔn)，那么它就能與另一個UCIe芯片互通。

UCIe 1.0規(guī)范有兩個性能/復(fù)雜度標(biāo)準(zhǔn)級別。

“標(biāo)準(zhǔn)封裝”級規(guī)范是為使用傳統(tǒng)有機(jī)襯底的低帶寬器件設(shè)計的。這些部件將使用多達(dá)16個lane、100μm+凸塊間距以及擴(kuò)展的溝道長度。這就像在一個當(dāng)代PCIe鏈路上連接兩個設(shè)備，但是把它們放置得非常非常近。

“先進(jìn)封裝”級規(guī)范涵蓋了EMIB和InFO等所有基于高密度硅橋的技術(shù)，要求在25μm~55μm范圍內(nèi)的更小凸塊間距。由于密度更大，每個cluster需要4倍的lane，且溝道長度小于2mm。

UCIe的推廣者認(rèn)為，如果采用目前的45μm凸塊間距技術(shù)，先進(jìn)封裝裝置將能提供高達(dá)1.3TB/s/mm的shoreline（線性）帶寬。也就是說，每秒1.3TB的數(shù)據(jù)可以通過1mm的芯片邊緣。

性能最高的設(shè)備通常都是將盡可能多的低延遲帶寬塞進(jìn)盡可能小的區(qū)域，但大多數(shù)設(shè)計不需要這種級別的性能，故而設(shè)計者可以使用多種手段來定制設(shè)計。因此，下圖中“關(guān)鍵指標(biāo)目標(biāo)”部分將因不同的設(shè)計選擇而異。

此外，該聯(lián)盟在構(gòu)建該規(guī)范時考慮到能效，適應(yīng)了諸如快速開關(guān)（亞納米秒）等高級功能。

Die-to-Die適配器為芯片之間的鏈路狀態(tài)管理和參數(shù)協(xié)商提供了基礎(chǔ)，并負(fù)責(zé)通過CRC和鏈路級重試為額外的數(shù)據(jù)可靠性保障提供可選支持。

03.借助PCIe和CXL標(biāo)準(zhǔn)還能用于芯片外的連接

新UCIe互連的外觀和操作類似于on-die連接，同時還支持與其他組件的off-die連接。這些設(shè)計甚至可以為機(jī)架規(guī)模的設(shè)計提供足夠低的延遲和足夠高的帶寬。

在協(xié)議層，芯片制造商有幾種不同選擇。

UCIe的官方標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議是成熟的PCIe和開放的CXL（Compute eXpress Link，由英特爾發(fā)起）。

PCIe協(xié)議可提供廣泛的互操作性和靈活性，已經(jīng)成為各種其他技術(shù)的支柱；CXL則可用于更高級的低延遲/高吞吐量連接，如內(nèi)存（cxl.mem）、I/O（cxl.io）以及GPU和ASIC（cxl.cache）等加速器。

客戶和芯片制造商都可以利用他們在PCIe/CXL上的現(xiàn)有軟件投資，進(jìn)一步簡化開發(fā)過程，并更快地推出符合UCIe標(biāo)準(zhǔn)的芯片。此外，聯(lián)盟發(fā)起方已明確表示，UCIe不會局限于PCIe/CXL，其未來版本可能會添加其他協(xié)議。

與其他連接標(biāo)準(zhǔn)（如USB、PCIe和NVMe）一樣，UCIe標(biāo)準(zhǔn)希望實現(xiàn)無處不在和通用，同時為芯片連接提供卓越的功率和性能指標(biāo)。

UCIe的初始版本來自英特爾，過去幾十年，英特爾主導(dǎo)開發(fā)了幾種頗受關(guān)注的開放互連技術(shù)，包括USB、PCIe、和Thunderbolt 3等等。英特爾之前也為其EMIB使用了AIB（Advanced Interconnect Bus）和UIB兩種協(xié)議。

在此前試圖培養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)化的芯片生態(tài)系統(tǒng)時，英特爾發(fā)布免版稅的開源AIB互連標(biāo)準(zhǔn)，但這沒有獲得足夠的行業(yè)吸引力。相比之下，CXL當(dāng)前已被廣泛采用，因此將其與UCIe一起使用更有意義。

不過，UCIe和AIB并非天生兼容（特殊的子集設(shè)計可以同時支持兩者），因此，雖然英特爾將繼續(xù)全力支持當(dāng)前的AIB實現(xiàn)，但它將停止所有進(jìn)一步的開發(fā)并遷移到UCIe。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范還包括一個Retimer設(shè)計，它可以將連接擴(kuò)展至芯片封裝之外，實現(xiàn)與內(nèi)存池、計算和加速器資源等其他組件的光學(xué)和電氣連接。

UCIe聯(lián)盟設(shè)想了這種互連最終能實現(xiàn)芯片行業(yè)幾十年來一直在努力構(gòu)建的足夠量的機(jī)架級分散系統(tǒng)。Die-to-Rack連接可以使用本地CXL進(jìn)行PCIe通信（無需轉(zhuǎn)換），可能最終提供此類設(shè)計所需的延遲和帶寬，如有需要，還可使用其他類型的協(xié)議。

在開放計算項目（Open Compute Project），BoW（Bunch of Wires）規(guī)范也可被視作UCIe的一個對手。

BoW規(guī)范同樣旨在使芯片設(shè)計大眾化，并擁有令人印象深刻的性能規(guī)格，但它沒有那么靈活。例如，BoW提供的能效范圍是0.7~0.5pJ/bit（每位Picojoules），而UCIe提供的支持0.5~0.25pJ/bit，這可能因使用的制程節(jié)點而異。

BoW支持固定的16GT/s，而UCIe是可配置的，可擴(kuò)展至32GT/s。UCIe在其他指標(biāo)方面也領(lǐng)先，如Shoreline帶寬密度（1280Gbps vs 3.8Tb/s），且僅限于MCP封裝，而UCIe可以支持大多數(shù)2D和2.5D封裝選項。

04.結(jié)語：UCIe剛剛起步但發(fā)起者已經(jīng)看向未來

總體來說，UCIe規(guī)范旨在使封裝互連看起來盡可能類似于on-die互連，同時提供大量選項，幾乎可以實現(xiàn)所需的任何類型的性能或封裝技術(shù)。

標(biāo)準(zhǔn)化互連是提高任何設(shè)備更廣泛的驗證、合規(guī)性和互操作性的第一步，而半導(dǎo)體行業(yè)長期缺少被廣泛接受的芯片確認(rèn)、驗證和資格認(rèn)證流程。UCIe聯(lián)盟非常關(guān)注這些方面，初始UCIe 1.0規(guī)范有一章專門針對驗證和內(nèi)置功能來幫助這些工作。

UCIe聯(lián)盟的強(qiáng)大成員公司們將開始開發(fā)下一代UCIe技術(shù)，包括定義chiplet form factor、管理、增強(qiáng)安全性和其他基本協(xié)議。他們還在尋找更多的成員加入，以期加速改變行業(yè)交付新產(chǎn)品的方式。

新標(biāo)準(zhǔn)不僅以開放的方式提供，而且其相關(guān)公司將在今年晚些時候成立一個正式的聯(lián)盟集團(tuán)來管理并進(jìn)一步發(fā)展UCIe。

來源：UCIe官網(wǎng)，tom’s HARDWARE，AnandTech