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芯粒与 UCIe:封装内互连的"USB-C"时刻

· 4 min read
Industry Research Team

芯片越做越大,大到接近光刻掩膜极限,良率却越做越差。业界的答案是拆:把一颗大芯片拆成几颗小芯粒(chiplet),在封装里拼回去。拆开容易拼回难——芯粒之间的接口此前是各家私有的。UCIe 标准想做的,就是给封装内互连定一个类似 USB-C 的通用规范。

为什么要拆芯片​

动机有三层。第一是良率:芯片面积越大,单颗晶圆上无缺陷的完整芯片越少,而缺陷密度短期内降不下来。拆成小 die 后,坏一颗只废一颗,总产出显著提高。第二是成本混搭:计算核心用最先进的制程,I/O、模拟电路用成熟制程即可——大芯片被迫为所有模块支付最先进节点的价格,芯粒化让每个模块各用最划算的工艺。第三是突破面积极限:单颗 reticle 能容纳的电路面积有物理上限,多芯粒封装是做出超大 AI 芯片的现实路径。AMD 的 Instinct 系列、各大云厂商的自研芯片,都已大量采用这一路线。

UCIe:分层的 die-to-die 规范​

UCIe(Universal Chiplet Interconnect Express)于 2022 年由 Intel、AMD、Arm、三星、台积电等公司联合发布,据其官方公开资料,标准分三层:

  • 协议层:不发明新协议,直接复用 PCIe 与 CXL,另设 Streaming 通道供私有协议穿透——既有软件栈可以原样跑在芯粒互连上,这是它"USB-C"野心的关键。
  • D2D 适配层:负责数据成帧、链路重试、流控等可靠性机制,并定义了标准化的逻辑接口,让协议 IP 与物理层 IP 可以来自不同供应商、自由拼装。
  • 物理层:按封装形态分两档,规格如下。
指标标准封装先进封装
凸点间距100 至 130 微米25 至 55 微米
带宽密度约 113 GB/s/mm约 650 GB/s/mm
单通道速率最高 16 GT/s最高 32 GT/s
目标能耗约 0.5 pJ/bit约 0.25 pJ/bit

标准封装用传统有机基板,成本低,适合带宽需求温和的场景;先进封装需要硅中介层或嵌入式桥接,带宽密度高出近六倍,面向 AI 与 HPC。此后标准持续演进:2.0 版补充了 3D 封装支持,2025 年发布的 3.0 版将速率提升至 48 与 64 GT/s 档位。

从标准到量产:现实与理想的距离​

需要清醒的是:当下算力最强的几款产品,芯粒互连走的都是私有路线。AMD 的 Infinity Fabric 撑起跨芯粒一致性域;据公开报道,NVIDIA 在其超芯片产品中采用自研的 die-to-die 互连,带宽密度远超公开标准。私有方案在性能上跑在前面,UCIe 的价值定位在别处——跨厂商混拼。只有当不同厂家的计算芯粒、HBM 基底芯粒、I/O 芯粒能在同一封装里即插即用,芯粒才真正从"设计技巧"变成"产业分工":小公司可以只做某一类芯粒,卖进别人的封装。EDA 工具、D2D IP、裸片测试方法学也都在围绕 UCIe 生态快速补齐。

小结​

芯粒化解决的是先进制程时代"做大芯片"的成本与物理约束,UCIe 解决的是芯粒之间的通用语言问题。前者已被头部产品验证,后者仍在追赶。对选型者的启示是:评估采用芯粒架构的芯片时,除了看标称算力,还要关注其封装内互连的带宽密度与一致性支持——它决定了拆开的芯片拼回去之后,性能能保住几成。