文︱
王樹一
先進工藝節點已接近物理極限，電晶體尺寸微縮帶來的紅利越來越少，且由於登納德定律失效，讓晶片提高整合度時面臨更大的功耗與散熱控制挑戰，而隨著大資料、雲計算的興盛，市場對大晶片的需求持續旺盛，但即使不考慮功耗與散熱，良率限制也讓芯片面積並不能任意做大，因此在當前技術背景下，如何構建符合裝置/系統發展要求的大晶片，成為包括積體電路產業在內的整個資訊科技產業關注的熱點研究方向，從片上系統SoC到芯粒Chiplet，把系統往晶片中整合的思路一直都有，但這條路的終極形態會是什麼樣？
軟體定義晶上系統（Software Defined System on Wafer，簡稱SDSoW），這是工程院鄔江興院士提出的概念，直接用完整的晶圓基板來做系統內部各模組的互連底座，用一個密佈各種芯粒的晶圓來實現一個完整的系統，而各模組之間的連線支援軟體定義，乃至各模組本身的功能，也可以支援軟體定義。這樣的晶上系統，既從系統角度突破了工藝對提高晶片整合度的限制，又有極強的靈活性與可擴充套件性，更有望解除我國資訊科技產業被晶片科技“封印”的風險，透過體系結構的創新反過來還可以引領晶片技術的發展，晶上系統似乎是晶片系統工程的終極形態，雖然當前看起來是一條有風險的創新之路，但也是必須要去嘗試的必然之路。
近日，鄔江興院士團隊的核心成員向探索科技（ID：techsugar）詳細介紹了軟體定義晶上系統的發展情況，他表示，當前環境下，軟體定義晶上系統是探索中國積體電路和微電子怎麼走的必然之路，只有把國內產學研用力量整合起來，大家齊心協力，才有可能取得基礎性突破。
從“逐級插損”到扁平化連線
單晶片效能提升受困於工藝牆，而從晶片到系統的整合過程中還有各種效能浪費。最典型的，就是傳統基於器件、元件、模組、機架逐層堆疊的工程技術路線，效能上存在逐級遞減，最先進工藝的CPU效能很強，但透過PCB和接外掛層層連線做成雲伺服器，終端使用者能用到的效能被打了折扣。以物流做譬喻，收件人看到的是一個大箱子，開啟大箱子裡面有一個大盒子，開啟大盒子和防撞泡沫，裡面還有一個小盒子，開啟小盒子，才是收件人需要的鑽石，逐層堆疊工程技術路線在不同層之間的效能損耗，就相當於物流運輸中，為了防撞防摔而層層加出來的盒子箱子，一整套下來消耗的總資源裡面，只有很小一部分是為了傳送使用者需要的“鑽石”。
如果能減少層級連線之間的效能損耗，就可以在系統層面得到效能的提升，而且系統各層連線處效能提升的比例還可以相乘，這就打開了工藝桎梏，為系統性能增益的提升提供了新增長空間。
這種破解“逐級插損式工程技術路線”弊端的方法，就是晶上系統。鄔院士團隊核心成員表示，在當前人類所有的加工技術中，晶圓製造是整合密度最高、經濟性最好、產業鏈最成熟的，用晶圓互連基板替代PCB，連線不同芯粒，在晶上打造一個完整系統，這個系統的出線密度最高、線路損耗最小。例如，一個晶圓上集成了500個芯粒，有計算、儲存、通訊、互連IO，但是它們之間無論是通訊、計算、儲存還是資料搬移，都沒有插入損耗，而且由於晶圓基板互連距離特別近，對驅動器的驅動能力要求也得以降低，從而可以降低芯粒的功耗，從而降低整個系統的功耗。
“不要小看互連距離的縮短，這相當於把整個晶片世界的限制徹底開啟。目前來說，基於晶上互連去整合是最好的技術，晶圓基板是中央，直接連線到各個芯粒，只需要一級整合，因而無插損，我們形象地稱之為‘扁平化’指揮，一級排程。”
在晶圓互連基板上，把系統中所有需要的芯粒都連線在一起，是晶上系統的關鍵，一旦實現了這一步，晶片系統整合的工程技術路線就將產生完全顛覆的變革，從工藝、工具到設計加工的流程，都要做相應的調整，這意味著在晶圓上的各個芯粒以矽後物理IP的形式高密度整合，這種整合方式，其整合效能和整合效能與SoC內部的IP複用等效。因而晶上系統不僅效能將有數量級的提升空間，在開發敏捷性和迭代速度上，也有極大優勢。
從剛性結構到結構自適應
透過晶圓基板來連線芯粒，是現在異質整合技術的一個主要方向，例如臺積電的CoWoS和3DIC，也是將密度低的PCB互連，換成密度特別高、距離特別近、驅動力特別小的晶圓基板互連，而近來成立的UCIe標準聯盟，就是準備將晶圓互連的技術標準化，當前也有很多中國企業積極參與到UCIe聯盟中去。
據鄔江興院士團隊核心成員介紹，軟體定義晶上系統在互連技術上將相容支援UCIe標準，但超高密度矽互連拼裝只是軟體定義晶上系統的技術基石之一，軟體定義晶上系統的另一個技術基石是整個系統的軟體定義，即全維可定義系統架構體系與軟硬體協同處理。
從系統層面賦予晶上系統軟體可以定義的屬性，就將晶上系統從一個剛性結構系統變成了結構自適應需求的系統。剛性結構雖然成本最優，但隨著應用場景越來越多變，剛性結構系統的靈活性和可擴充套件性較差，應用變化時，剛性結構效能會大打折扣，或者被提前淘汰，從而導致使用者的總擁有成本反而上升。結構自適應系統則可以靈活適配應用變化，根據應用任務對計算、儲存、通訊的不同要求來做出及時調整，從而自適應地以最優效能來支援應用變化，滿足使用者的不同計算需求。
這種自適應在硬體上體現為芯粒級別的軟體定義與晶圓互連的軟體定義，即可以透過軟體定義來改變芯粒的功能，以及芯粒與芯粒之間的連線屬性，從而適應系統應用場景的改變，理論上，軟體定義晶上系統可實現自身資源支援的任意功能，既可在一條技術路線上根據應用變化不斷升級迭代，又可大規模重新配置變成一個不同的新裝置。晶上系統支援軟體自定義，可以大幅降低設計難度，縮短開發週期，並顯著減少人力和經費投入。
具體來看，軟體自定義可以從底至上分為三個層面：在芯粒級別，開發者將其封裝為可配置的領域專用晶片，既有面向特定領域的高效能，又有領域內應用的高靈活性；在系統層面，整個系統的硬體資源池也是可定義的，可以自適應改變系統硬體結構動態匹配系統需求；而在應用層面，系統可以隨時根據應用變化來生成軟硬體協同服務結構，應用變化後，相繼影響到下層的系統和芯粒，系統和芯粒將根據應用變化來做出自適應配置。
透過這三個層面的軟體定義，可以把晶上系統豐富的邏輯、儲存和頻寬資源極大釋放出來，在軟體定義的支援下，晶上系統既有集約化的高效，又有結構適用應用的靈活，與剛性晶上系統相比，軟體定義晶上系統對中國的意義更為重大，這不僅是概念上的創新，還是在極端情況下，確保我國資訊產業基礎設施建設水平不發生嚴重倒退的關鍵路徑。
“有了這樣的底層工程技術路線，就可以用28奈米晶片實現傳統上7奈米晶片才能達到的系統性能。”鄔院士團隊核心成員認為，中國在EDA和晶圓製造上比較落後，但是透過協同製造、封測和系統整合技術，連乘體系結構的創新增益，軟體定義晶上系統將有可能為國內工藝發展爭取到一個發展緩衝期，他說：“無論是工藝，還是工具，我們都要尊重技術發展規律，給它5年甚至更多的時間，透過充分的發展，讓它一代代向前演進，在基礎研究上必須要實事求是。”
從被工藝限制到引導工藝發展
在應用上，軟體定義晶上系統率先瞄準的是兩個方向。一個方向是大型和超大型資訊基礎設施，一個方向是無人裝置和無人裝置。對於超大規模資訊系統，軟體定義與晶上互連帶來的效能無插損擴充套件與靈活性無與倫比。而越來越複雜的無人化裝置，要實現“能看能存能算”的一體化功能，既要求高整合度，又因面對場景複雜而需求軟體定義，所以也特別適合SDSoW。
鄔院士團隊在2019年提出軟體定義晶上系統SDSoW，2020年已經在之江實驗室落地了一個晶上網路的先導性專案，該專案是一個8T交換機，採用SDSoW的工藝流程實現，雖然還不是可市場化落地的產品，但已經在流程上跑通。透過這個專案，鄔院士團隊將國內微納電子產業鏈的能力進行了摸底，從而確認了軟體定義晶上系統路線的可行性。
“我們判斷落地的可能性很高，目前國內裝置、工具和設計流程方面的技術水平，構建晶上系統的基礎能力是具備的，但需要摸高式創新，需要搭建新的設計流程，擴充工具，工程技術上需要磨合，但不需要基礎理論的突破。”該團隊核心成員表示，軟體定義晶上系統對產業鏈上下游的協同要求會更嚴格，從架構、設計到工具與工藝，都需要到系統層面做協同和迭代，原來的設計技術協同最佳化DTCO，在晶上系統就要升級為系統技術協同最佳化STCO。這就給裝置、工具、製造和封測等產業鏈廠商指引了一條新的發展思路，根據晶上系統應用需求，來建設新型工藝平臺。
隨著美國對中國積體電路產業發展限制手段持續升級，中國經濟發展受到積體電路產業水平限制的風險越來越大，短期內，中國晶圓製造工藝水平大幅提升的可能性不大。因而，一方面，我們要加快發展各種被“卡脖子”的核心技術；一方面，也要基於我國當前積體電路發展水平，探索其他可能的發展途徑，軟體定義晶上系統就是立足於當前工藝來發展我國資訊乃至智慧產業的戰略構思。
在科技部十四五規劃的微納電子專項中，設立了模組化組裝與整合方向，包含了如何打通軟體定義晶上系統基礎工藝流程的研究內容。兩年多來，鄔江興院士團隊和國內多家晶圓廠、封測廠和工具廠商就打通該工藝流程方面進行了密切合作，深入溝通，團隊核心成員告訴探索科技：“研究結果比較樂觀，我們具備好的產業基礎，大家對這個方向也很認可，我們的看法是，這條路一定能成，不存在失敗，只是三年成還是五年成的問題，只要大家齊心協力，這個萬億市場新賽道大有可為。”
力出一孔
軟體定義晶上系統是一個大工程，要發展好必須整合全產業鏈的資源，圍繞國家戰略，率先在資料中心應用層面實現中國的自主標準——既可以做UCIe相容，又符合中國資訊與智慧產業的長期發展需求。當前，參與到軟體定義晶上系統的機構有四五十家，包括企業、高校和研究所，但對於軟體定義晶上系統這樣的大工程來說，目前參與的力量還不夠大，尤其與國外相比，國內所有晶片投資加起來，都不如英特爾一家多，在這種背景下，如果山頭林立，各設標準，那麼想發展好無疑將困難重重。
“我們要探索新型舉國體制，建立最廣泛的統一戰線，形成最磅礴的發展動力，現在全中國所有積體電路力量集合起來，還不夠壓強突破，如果再搞山頭主義，七國八制，想實現我國的戰略需求，無論是2035還是2049，都很難！”鄔江興院士團隊核心成員最後強調，在籌劃中的軟體定義晶上系統聯盟，目的就是為聚集各方力量，而鄔院士正準備將專利免費開放，以吸引更多商業公司參與其中，他說：“這不是商業利益，這是國家利益，我們一定要把SDSoW的產業落地做成。應用強，發展底座才能堅實，迭代速度才會快，才能開闢我國資訊與智慧產業的新局面。”
SDSoW更多技術細節和專利開放情況，敬請關注將在12月10日舉辦的第五屆軟體定義晶上系統技術與產業聯盟大會。
