先進(jìn)封裝正在成為高端手機(jī)市場(chǎng)的關(guān)鍵差異化因素，與片上系統(tǒng)相比，它實(shí)現(xiàn)了更高的性能、更大的靈活性和更快的上市時(shí)間。

單片 SoC 可能仍將是低端和中端移動(dòng)設(shè)備的首選技術(shù)，因?yàn)樗鼈兊耐庑纬叽?、?jīng)過驗(yàn)證的記錄和較低的成本。但多晶片組件提供了更大的靈活性，這對(duì)于 AI 推理和跟上 AI 模型和通信標(biāo)準(zhǔn)的快速變化至關(guān)重要。最終，OEM 和芯片制造商必須決定適應(yīng)設(shè)計(jì)周期變化的最佳方式，以及瞄準(zhǔn)哪些細(xì)分市場(chǎng)。

Synopsys 移動(dòng)、汽車和消費(fèi)類 IP 產(chǎn)品管理執(zhí)行董事兼 MIPI 聯(lián)盟主席 Hezi Saar 表示：“不依賴于手機(jī)制造商的 SoC 供應(yīng)商必須通過 AI 來追求物聯(lián)網(wǎng) SoC 的低端功能，而這無疑是單體的?！叭绻麄冃枰非笠苿?dòng)的中端市場(chǎng)，那是比 IoT 更高的功能。它也可能是一個(gè)單片 [SoC]，并有可能選擇通過多晶粒添加它。當(dāng)你走向高端時(shí)，很明顯你不能只做整體式的。你需要能夠進(jìn)行多晶粒測(cè)試，以適應(yīng)將要發(fā)生的變化并加快上市時(shí)間，因?yàn)檫@確實(shí)是他們賺到最多錢的地方。

換句話說，目標(biāo)市場(chǎng)決定了架構(gòu)。Ansys產(chǎn)品營(yíng)銷總監(jiān)Marc Swinnen表示：“我們看到了多晶粒3D的大趨勢(shì)，移動(dòng)設(shè)備正在采用這一趨勢(shì)，但其速度比NVIDIA或AMD的HPC芯片要慢得多，而這些芯片在3D和2.5D系統(tǒng)上已經(jīng)完全發(fā)展了12顆巨大的芯片。“低端移動(dòng)設(shè)備無法做到這一點(diǎn)。這在很大程度上是一個(gè)成本問題。他們必須真正專注于將盡可能多的內(nèi)容集成到單個(gè)芯片中，具有低功耗和高速度。

單片 SoC 包含在單片硅片上運(yùn)行系統(tǒng)所需的所有組件，并且可能包括具有一個(gè)或多個(gè)處理器內(nèi)核的嵌入式微控制器;內(nèi)存系統(tǒng)，例如 RAM 或 ROM;外部接口，如電纜端口（USB、HDMI）;無線通信（WiFi、藍(lán)牙）;圖形處理單元 （GPU）;以及其他組件，例如模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器、穩(wěn)壓器和內(nèi)部接口總線。

盡管單片 SoC 尺寸緊湊，而且通常正因?yàn)槿绱?，它們的效率非常高，而且在每個(gè)處理器上的性能通常優(yōu)于更復(fù)雜的系統(tǒng)。信號(hào)需要傳播的距離很短，驅(qū)動(dòng)這些信號(hào)所需的功率較低，并且可以通過簡(jiǎn)單的散熱器去除熱量。許多 IoT SoC 供應(yīng)商都采用整體式策略，因?yàn)樗梢詾榭蛻艄?jié)省打包和集成成本。

“將東西放在單個(gè)芯片上總是更好，盡管我們很難做到，”Synaptics 低功耗邊緣 AI 高級(jí)產(chǎn)品經(jīng)理 Ananda Roy 說。“它使我們處于競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，因?yàn)槲覀兊囊恍┪锫?lián)網(wǎng)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手將兩個(gè)晶片放在一個(gè)封裝中，將它們堆疊起來，或者并排放置，并稱之為單芯片解決方案。但實(shí)際上，這些只是一個(gè)封裝中的兩個(gè)不同的芯片。我們有意識(shí)地嘗試向單晶片解決方案邁進(jìn)，因?yàn)閺目蛻舻慕嵌葋砜?，它更容易集成，也更容易設(shè)計(jì)到他們的硬件系統(tǒng)中。我們基本上在單個(gè)芯片上構(gòu)建了多種技術(shù)。

圖 1：嵌入式 IoT SoC。 資料來源：Synaptics

在高端移動(dòng)市場(chǎng)，情況就不同了。在那里，多個(gè)小芯片被用來提高性能，更多的互連被用來降低電阻和電容?！霸谶@種情況下，計(jì)算引擎通過高性能水平 die-to-die 接口和先進(jìn)的封裝技術(shù)進(jìn)行'鏡像'和連接，以擴(kuò)展計(jì)算處理能力，”Cadence 計(jì)算解決方案集團(tuán)高級(jí)產(chǎn)品組總監(jiān) Mick Posner 說。“從技術(shù)上講，這可以擴(kuò)展到 3D-IC 堆棧中垂直擴(kuò)展晶粒的處理，從而實(shí)現(xiàn)更高的互連帶寬?！?/p>

多晶片組件還允許計(jì)算元件的更大多樣性，其中可以包括 CPU 和 GPU 的組合，以及高度專業(yè)化的加速器?！?D 堆疊不僅限于相同的處理單元，”Posner 說?！癆I 或內(nèi)存加速器單元可以成為堆棧的一部分，創(chuàng)建高效的、特定于領(lǐng)域的應(yīng)用程序引擎。利用先進(jìn)的 3.5D 封裝將使另一個(gè)晶粒能夠水平連接，也可以使用更傳統(tǒng)的晶粒間互連，例如 UCIe。其他晶粒不需要與處理節(jié)點(diǎn)位于同一技術(shù)節(jié)點(diǎn)中。集成各種節(jié)點(diǎn)可以在性能和成本之間進(jìn)行權(quán)衡，同時(shí)選擇最適合應(yīng)用程序功能或供應(yīng)鏈彈性的節(jié)點(diǎn)。

在千禧年的頭幾十年里，移動(dòng)市場(chǎng)推動(dòng)了許多前沿技術(shù)的發(fā)展。但是，隨著 finFET 時(shí)代平面擴(kuò)展優(yōu)勢(shì)的減少，無法擴(kuò)展 SRAM，以及云中對(duì)大規(guī)模計(jì)算能力的需求不斷增長(zhǎng)，系統(tǒng)公司從單片 SoC 轉(zhuǎn)向 2.5D 系統(tǒng)，通過中介層連接多個(gè)芯片。雖然移動(dòng)市場(chǎng)仍處于工藝擴(kuò)展的前沿，但移動(dòng)市場(chǎng)的高端已經(jīng)擴(kuò)展到多芯片組件——盡管目前尚不清楚移動(dòng)設(shè)備是否會(huì)采用 3D-IC，因?yàn)樗鼈冃枰撤N類型的先進(jìn)冷卻系統(tǒng)，這在當(dāng)今的移動(dòng)設(shè)備中是不切實(shí)際的。

“2.5D 非?？焖?、非常有效、超短距離，因此非常高效的功率，”Synopsys 的 Saar 說?！癧模具可以] 采用不同的工藝制造。這個(gè)可以是 2nm（基礎(chǔ)芯片），而 AI 加速器可以是其他東西。他們有靈活性。

圖 2：?jiǎn)纹?SoC 與多晶片 來源：Synopsys

高端移動(dòng)設(shè)備正在推動(dòng)全能柵極 （GAA） 2nm 制造工藝以實(shí)現(xiàn)高性能，但價(jià)格昂貴且生產(chǎn)時(shí)間長(zhǎng)?！癎AA 需要 X 個(gè)月才能從晶圓廠恢復(fù)過來，”Saar 說?！澳阈枰獕嚎s所有這些，這是最大的挑戰(zhàn)。你正在錄制一些過去值得制作的東西。這一次，您知道您至少需要再旋轉(zhuǎn)一次，也許在您旋轉(zhuǎn)它時(shí)，規(guī)格會(huì)再次演變。我以為我需要 70 億個(gè)參數(shù)。現(xiàn)在我需要 140 億個(gè)參數(shù)，因?yàn)槭謾C(jī)中的用例已經(jīng)發(fā)生了變化。在未來，我不知道會(huì)是什么，但他們?cè)谕瞥鲞@些功能時(shí)需要考慮到這一點(diǎn)。這就是為什么多晶粒似乎是市場(chǎng)方面必須采取的靈活性、不確定性和規(guī)格的持續(xù)演變以及風(fēng)險(xiǎn)緩解的正確答案。

Saar 指出，每個(gè)手機(jī)供應(yīng)商都可以根據(jù)它想要占領(lǐng)的市場(chǎng)數(shù)量來決定如何實(shí)施 AI?！澳憧梢栽谄嫌幸粋€(gè) AI 加速器。它可以在單獨(dú)的芯片中。它可以是專用的。它可以是幾個(gè)專用的 AI 加速器。這取決于你想要的馬力。假設(shè)我想要一個(gè)用于功能手機(jī)的基礎(chǔ)芯片。我正在添加一個(gè) AI 加速器芯片，這是兩者之間的 3D 連接。現(xiàn)在，我又增加了一個(gè) I/O 擴(kuò)展，因?yàn)槲蚁脒M(jìn)入多媒體市場(chǎng)?，F(xiàn)在我需要更多的顯示功能。我需要 EDP（電子數(shù)據(jù)處理）。SoC 供應(yīng)商可以將基礎(chǔ)芯片（獨(dú)立、單片）銷售給該功能手機(jī)市場(chǎng)。他們可以添加加速器。現(xiàn)在它是一個(gè)智能手機(jī)配置，他們可以在側(cè)面添加另一個(gè)。然后它變成了消費(fèi)類設(shè)備、超級(jí)機(jī)器人或 PC，他們可以玩轉(zhuǎn)所有這些配置，這樣他們就可以攻擊不同的市場(chǎng)。

圖 3：用于數(shù)據(jù)中心（或未來高端移動(dòng)設(shè)備）的 3D-IC，頂部有 AI 加速器。來源：Synopsys

通過將 AI 加速器放在第二個(gè)芯片上，供應(yīng)商可以獲得更好的性能，因?yàn)樗谑褂孟嗤幕A(chǔ)的同時(shí)進(jìn)行了優(yōu)化?！艾F(xiàn)在，它不是一次又一次地花費(fèi)數(shù)億美元旋轉(zhuǎn)硅，而是更加穩(wěn)定，”Saar 說。

采用多晶粒的另一個(gè)原因是考慮模擬和數(shù)字信號(hào)。例如，Synaptics 用于可折疊移動(dòng) OLED 顯示器的觸摸控制器可以區(qū)分僅握持設(shè)備、袖珍撥號(hào)、水滴或汗水?！拔覀兊男酒幸粋€(gè)模擬芯片和一個(gè)數(shù)字芯片，模擬芯片直接連接到傳感器，數(shù)字芯片處理所有這些信息，”Synaptics 產(chǎn)品營(yíng)銷總監(jiān) Sam Toba 說?！霸谶@個(gè)數(shù)字芯片中，我們有一個(gè) MCU 內(nèi)核，以前我們有一個(gè)內(nèi)部定制的 MCU 內(nèi)核，它確實(shí)有很多優(yōu)勢(shì)。但是一旦你接觸到這些可折疊設(shè)備，需要處理的信息量就會(huì)變得非常非常高，為此我們決定使用 RISC-V。Si-Five 的 E7 是一個(gè)非常強(qiáng)大的 MCU 內(nèi)核，非常適合高水平的處理，而我們的矢量協(xié)處理器就在它之外。

然后，AI/ML 算法可以確定環(huán)境并檢測(cè)真實(shí)的手指觸摸?！拔覀兊男酒B接到觸摸傳感器，查看所有信號(hào)，將模擬信號(hào)放入模擬芯片，然后在數(shù)字芯片上進(jìn)行處理，”Toba 說?！霸摂?shù)字芯片包括 E7、Hydra、所有算法和內(nèi)存。一旦芯片確定觸摸是有意義的、有意的，那么它就會(huì)向主機(jī) SoC 報(bào)告。

內(nèi)存和通信復(fù)雜性
與 AI 一樣，內(nèi)存也在發(fā)生變化，并且可能因不同的市場(chǎng)而異。Saar 說，如果 SoC 供應(yīng)商瞄準(zhǔn)所有市場(chǎng)，他們有幾種方法可以做到這一點(diǎn)。“他們可以做整體式的。但是，它們將如何適應(yīng)硅的多次旋轉(zhuǎn)？他們現(xiàn)在有 LPDDR 6，這已經(jīng)被定義過了，但它會(huì)繼續(xù)發(fā)展。UFS 5.0 現(xiàn)在已經(jīng)定義，但它將繼續(xù)發(fā)展。那么他們會(huì)再旋轉(zhuǎn)一個(gè) 2nm 硅嗎？或者他們會(huì)將其限制在其他方面？

此外，還需要考慮多種網(wǎng)絡(luò)。手機(jī)芯片需要足夠靈活，以支持新的 5G/6G 協(xié)議，同時(shí)繼續(xù)支持舊技術(shù)?！霸趩蝹€(gè)系統(tǒng)中支持額外的帶寬會(huì)增加數(shù)據(jù)處理的復(fù)雜性，并意味著大量的功耗，因此您必須非常有效地實(shí)施它，”Fraunhofer IIS/EAS 高效電子部門負(fù)責(zé)人 Andy Heinig 說。“否則，一方面，移動(dòng)設(shè)備的電池將在很短的時(shí)間內(nèi)耗盡。而且你還必須去除另一側(cè)的熱量。您有這些多物理場(chǎng)要求，并且需要非常高效的加速器、非常高效的 DSP 實(shí)現(xiàn)、數(shù)據(jù)處理等。這就是為什么每個(gè)人都越來越多地談?wù)撎囟☉?yīng)用的處理器的原因。

在前沿設(shè)計(jì)中，這在很大程度上涉及小芯片和異構(gòu)集成。在智能手機(jī)的模擬/混合信號(hào)領(lǐng)域，這有助于抵消多晶片組件的一些額外成本。根據(jù) Cadence 的一份白皮書，這種方法允許“靈活地為 IP 選擇最佳工藝節(jié)點(diǎn)，尤其是對(duì)于不需要位于'核心'工藝節(jié)點(diǎn)上的 SerDes I/O、RF 和模擬 IP”。

圖 4：分解的 SoC。來源：Cadence

電源、電池和散熱考慮因素
在高端移動(dòng)市場(chǎng)，供應(yīng)商正爭(zhēng)先恐后地啟用 AI?！癷Phone 15 和 16 的 AI 硬件已添加到板載處理中，許多智能和硬件都在硅級(jí)別被放入這些芯片中，”Siemens Digital Industries Software 解決方案網(wǎng)絡(luò)專家 Ron Squiers 說?！癗VIDIA 等其他公司正在構(gòu)建 GPU。Arm 正在構(gòu)建 Zen 5 [CPU]，它充當(dāng)平臺(tái)上 AI 硬件的編排器。Amazon 正在開發(fā)他們的 Trainium 訓(xùn)練和推理芯片，因此超大規(guī)模公司和移動(dòng)開發(fā)人員都在做這件事。

雖然移動(dòng)設(shè)備始終需要 GPU 進(jìn)行圖形處理，但最新版本同樣可以很好地處理 AI 工作負(fù)載。例如，在其 E 系列 GPU 中，Imagination Technologies 極大地改變了它在 ALU 管道中調(diào)度和執(zhí)行工作負(fù)載的方式（見下面的圖 5）。

“它曾經(jīng)有一個(gè)非常復(fù)雜和非常深的管道，有許多管道階段，并且管道延遲很長(zhǎng)，”Imagination 技術(shù)洞察副總裁 Kristof Beets 說?！拔覀兪冀K從非常大的寄存器存儲(chǔ)中提供數(shù)據(jù)，在這些 GPU 中，這是一個(gè)非常大的 SRAM，大小為 0.5 MB，因此需要非常大量的非常緊密耦合的大內(nèi)存。問題是，如果你在每個(gè)周期不斷地從中獲取大量數(shù)據(jù)，然后將其推入這個(gè)管道，并在每個(gè)周期中寫出結(jié)果，那會(huì)消耗很多電量。

圖 5：Burst 處理器減少了 GPU 內(nèi)的數(shù)據(jù)移動(dòng)。來源：Imagination

新設(shè)計(jì)使用了一個(gè)更輕量級(jí)的管道，只有兩個(gè)管道階段，并且它在本地重用了更多的數(shù)據(jù)?！芭c其不斷訪問真正的大型 SRAM，不如嘗試重用我們附近已有的數(shù)據(jù)。這可以是以前的結(jié)果，也可以是我們旁邊的管道中的數(shù)據(jù)，因?yàn)槿绻憧春芏?AI 案例，你經(jīng)常會(huì)通過一系列處理作對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行洗牌和漣漪，從鄰近的管道中獲取數(shù)據(jù)。

由此產(chǎn)生的每瓦每秒幀數(shù)效率提升可以轉(zhuǎn)化為手機(jī)電池壽命的延長(zhǎng)。Beets 說：“這可能會(huì)影響運(yùn)營(yíng)成本，但我們?cè)谝苿?dòng)領(lǐng)域可以做的其他有趣的事情之一是將節(jié)省的額外功耗轉(zhuǎn)化為更高的時(shí)鐘頻率和更高的性能，因?yàn)槲覀兛梢员３衷谙嗤墓暮蜕犷A(yù)算內(nèi)。

無論設(shè)計(jì)人員如何實(shí)現(xiàn)更好的性能，功耗仍然是一個(gè)關(guān)鍵問題。Ansys的Swinnen表示：“如今，每個(gè)人都對(duì)電源感興趣，甚至包括數(shù)據(jù)中心人員，但移動(dòng)設(shè)備的傳統(tǒng)業(yè)務(wù)要長(zhǎng)得多，而且它們由電池供電，因此它們更傾向于低功耗。

除了每天的電池壽命外，手機(jī)制造商還必須考慮電池壽命。手機(jī)的方方面面都會(huì)產(chǎn)生影響，包括 SIM 卡。為此，英飛凌開發(fā)了一款微型 28nm eSIM，其能耗比傳統(tǒng) SIM 卡低得多。eSIMS 允許用戶在不同服務(wù)提供商之間輕松切換，而制造商可以在設(shè)計(jì)中更加靈活，因?yàn)椴恍枰锢碓L問。

結(jié)論
手機(jī)供應(yīng)商根據(jù)他們所針對(duì)的價(jià)格層以及他們現(xiàn)在或?qū)硐胍獙?shí)現(xiàn)的 AI 功能和通信標(biāo)準(zhǔn)，采用不同的芯片設(shè)計(jì)方法。

Synopsys 的 Saar 指出，設(shè)計(jì)決策通常歸結(jié)為業(yè)務(wù)原因?！斑@就像你問為什么一個(gè)特定的標(biāo)準(zhǔn)會(huì)流行起來，而不是一個(gè)可能在技術(shù)上更優(yōu)越的標(biāo)準(zhǔn)。原因有很多，現(xiàn)在是這個(gè)還是那個(gè)并不重要。如果一家供應(yīng)商控制著整個(gè)垂直鏈，他們就不必使用標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)成虛擬制作 （VP） 攝像機(jī)接口或任何存儲(chǔ)接口。他們可以創(chuàng)建自己的，即使它是劣質(zhì)的。在他們看來，他們正在獲得任何級(jí)別的好處，也許是在更高級(jí)別的集成和卓越運(yùn)營(yíng)中。

與此同時(shí)，許多市場(chǎng)新進(jìn)入者正在這個(gè)競(jìng)爭(zhēng)激烈的細(xì)分市場(chǎng)中開辟自己的道路。“他們以前只做手機(jī)?，F(xiàn)在他們也在做 SoC，“Saar 說?！皩?duì)他們來說，這是一個(gè)不同的故事。他們可以以不同的方式對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。他們不必走得更遠(yuǎn)，因?yàn)樗麄冎魂P(guān)心他們的手機(jī)。他們只關(guān)心他們的用例。他們中的一些人在整個(gè)市場(chǎng)中擁有 AI 地位，而不僅僅是移動(dòng)市場(chǎng)。我們正在進(jìn)入絕對(duì)超越硬件的公司戰(zhàn)略或世界戰(zhàn)略。也許混合動(dòng)力對(duì)他們來說確實(shí)有意義，因?yàn)槲蚁Ｍ謾C(jī)連接到我在云端的 AI 引擎，因?yàn)楝F(xiàn)在我有了差異化。您購(gòu)買了我的手機(jī)，您連接到我的云，您連接到我的電子郵件。一般的 SoC 沒有這個(gè)。他們?cè)谫u硬件。