Arm發(fā)布芯粒系統(tǒng)架構首個公開規(guī)范，Chiplet發(fā)展迎來新階段

隨著人工智能（AI）應用的普及與數(shù)據(jù)中心需求的增長齊頭并進，全球半導體行業(yè)正面臨著前所未有的挑戰(zhàn)和機遇。摩爾定律逐漸逼近其物理極限，傳統(tǒng)的單片集成芯片設計方法已難以滿足日益增長的高性能計算需求，面臨成本攀升、設計周期拉長以及性能提升瓶頸等問題。

在此背景下，芯粒（Chiplet）技術作為一種創(chuàng)新解決方案，正在迅速崛起。通過將多個功能模塊（如CPU、GPU、AI加速器）以異構集成的方式組合在一起，芯粒不僅突破了傳統(tǒng)芯片的面積限制，還大幅降低了設計和制造成本。

SoC vs. 芯粒概念對比（圖自：IDTechEx）

根據(jù)MEMS麥姆斯咨詢預測，到2035年全球芯粒市場的規(guī)模可能達到驚人的4,110億美元，這主要得益于數(shù)據(jù)中心和AI等領域?qū)Ω咝阅苡嬎愕男枨蟆Ｈ欢羧狈π袠I(yè)統(tǒng)一的標準和框架，不同芯片組之間的差異可能會引發(fā)兼容性問題，進而阻礙創(chuàng)新的步伐。

第一個CSA公開規(guī)范發(fā)布

作為半導體行業(yè)的重要推動者，Arm一直在推動芯粒技術的發(fā)展中扮演著關鍵角色。

2023年10月，通過推出“Arm^® 全面設計 (Arm Total Design)”生態(tài)項目，積極促進芯粒生態(tài)系統(tǒng)的成長和發(fā)展。這是一個致力于無縫交付由Arm® Neoverse™計算子系統(tǒng) (CSS)驅(qū)動的定制芯片的生態(tài)系統(tǒng)；

Arm 目前的 Neoverse CSS 合作模式（圖自：Arm）

2024年2月，Arm攜手來自包括移動端、汽車和基礎設施等多個行業(yè)市場的20多家生態(tài)系統(tǒng)伙伴，共同制定了芯粒系統(tǒng)架構（Chiplet System Architecture，CSA）標準，提供了加速芯粒應用所需的通用框架，以提高多個供應商之間的組件（包括物理設計 IP、軟 IP 等）復用率；

2024年4月，Arm攜手合作伙伴共同推動 AMBA CHI C2C（芯片到芯片）互連協(xié)議等倡議的落地實施；

2024年10月，在推出一年后，Arm全面設計的參與企業(yè)迅速擴展到近 30 家，涵蓋了從 IC 設計到晶圓代工服務等各項專業(yè)能力；

2025年1月，Arm正式發(fā)布了其芯粒系統(tǒng)架構的第一個公開規(guī)范。該規(guī)范不僅為不同供應商之間的芯粒互操作性設定了統(tǒng)一標準，還通過AMBA CHI C2C互連協(xié)議確保了高效的數(shù)據(jù)傳輸能力，這對于構建復雜的多芯片系統(tǒng)至關重要。

這一系列舉措旨在進一步推動芯粒技術的標準化，減少行業(yè)的碎片化。

Arm 基礎設施事業(yè)部副總裁 Eddie Ramirez 表示：“人工智能具備引領新一輪工業(yè)革命的巨大潛力，其市場滲透的深度與廣度均達到了前所未有的水平。為了實現(xiàn)這一宏偉目標，我們必須能夠應對不同市場中廣泛且多樣化的 AI 工作負載。這伴隨而來的是對計算的廣泛要求，也就意味著我們需要提供遠不止一種的計算解決方案，且每種方案都要針對特定市場的需求進行優(yōu)化。隨著行業(yè)對定制芯片需求的不斷攀升，加之芯片生產(chǎn)的成本與復雜性日益增加，芯粒（Chiplet）正逐漸成為業(yè)界廣泛采用的解決方案。”

CSA 有什么核心優(yōu)勢？

根據(jù)Arm資料顯示，CSA 提供了一套與生態(tài)系統(tǒng)共同開發(fā)的系統(tǒng)切分和芯粒互聯(lián)的標準，使行業(yè)在構建芯粒的基礎選擇上達成一致。通過 CSA，新的芯粒設計能夠在符合標準的系統(tǒng)中無縫適配和復用，這不僅加速了基于芯粒的系統(tǒng)創(chuàng)新，還有效降低了碎片化的風險。

在過去的逾 27 年里，AMBA 一直是基礎的開放行業(yè)標準。AXI 和 CHI 等 AMBA 規(guī)范廣泛應用于數(shù)十億的設備中。AMBA CHI 是基于 Credit 和傳輸包的高速總線，因此非常適用于芯粒。

AMBA CHI C2C 作為 CSA 定義的芯粒之間接口協(xié)議，利用現(xiàn)有的單芯片上 CHI 協(xié)議定義了數(shù)據(jù)的封裝格式，使數(shù)據(jù)能夠通過芯粒間鏈路進行傳輸，確保來自不同供應商的不同芯粒通過一個統(tǒng)一的接口協(xié)議來確保芯粒之間的互操作性。芯片設計企業(yè)能夠?qū)Ｗ⒂诓町惢δ艿拈_發(fā)，而非重復解決互連問題。

最直觀的體現(xiàn)在性能與成本優(yōu)化上，通過復用專用的芯粒來開發(fā)多種定制化系統(tǒng)級芯片（SoC），與傳統(tǒng)單片芯片相比，能夠?qū)崿F(xiàn)更高性能、更低功耗的系統(tǒng)設計，整體設計成本更低。芯粒技術采用異構集成方式，把不同功能的芯粒組合起來。這種集成方式打破了傳統(tǒng)芯片設計的局限，使芯片在性能上得以提升，同時降低了成本，有效滿足了 AI 時代對芯片性能和成本的雙重需求。

在靈活性與可擴展性方面，CSA 使設計人員能夠?qū)θ绾味x和連接芯粒以構建可組合的 SoC 達成一致理解，這些 SoC 憑借高度的靈活性，能夠滿足 AI 工作負載的多樣性需求，并確保最終芯片產(chǎn)品精準契合特定市場的需求。設計人員可以根據(jù)不同的市場需求，靈活地選擇和組合不同的芯粒，實現(xiàn)定制化的芯片設計。

和UCIe等其他芯粒標準有何不同？

提到芯粒的標準，很多工程師朋友可能還會想到UCIe（Universal Chiplet Interconnect Express）。這是由英特爾聯(lián)合 AMD、Arm、臺積電、三星等 10 家行業(yè)巨頭，在2022年共同發(fā)布的一種開放的、互操作的 chiplet 互連協(xié)議，旨在實現(xiàn)不同芯片之間在封裝級的高速、低延遲互連，適用于各種工藝節(jié)點和封裝類型，包括 2.5D 和 3D 封裝。其規(guī)范定義了物理層、協(xié)議層和軟件架構等方面的內(nèi)容，包括信號完整性、電源完整性、熱管理等要求，以及數(shù)據(jù)傳輸速率、錯誤檢測與糾正、流量控制等機制。

而AMBA CHI C2C由 Arm 推出，是 CSA（Chiplet System Architecture）定義的芯粒之間接口協(xié)議。我們可以從幾個層面來分析兩者著重點的不同：

• CHI C2C 專注于協(xié)議層和分包層，利用現(xiàn)有的片上 CHI 協(xié)議，并定義了如何進行數(shù)據(jù)打包以便通過芯片間的鏈路傳輸。由于其高速、可靠和可分組的特性，CHI 非常適合用于需要高帶寬和低延遲的應用場景。AMBA 規(guī)范是免費提供的，并且是廣泛使用的開放標準，這使得它成為采用芯粒技術的一種低風險途徑。
• UCIe 標準包括協(xié)議層、適配層和物理層。它不僅支持已經(jīng)廣泛使用的協(xié)議如 PCIe （Peripheral Component Interconnect Express）和 CXL（Compute Express Link），還支持用戶自定義的 Streaming 協(xié)議來映射其他傳輸協(xié)議。在協(xié)議靈活性，允許在單個物理鏈路上使用多個協(xié)議，例如 PCIe 和 CXL 可用于傳統(tǒng)的片外設備，而 Streaming 接口可用于插入其他協(xié)議。UCIe 的目標是建立一個跨供應商的標準化平臺，這樣不同的制造商可以開發(fā)兼容的小芯片并將其組合在一起，從而降低復雜芯片的研發(fā)成本和時間

由此可見，UCIe和AMBA CHI并非競爭關系，而是一種相輔相成的關系。如下圖就是使用 UCIe Streaming的多Die、基于 CHI 的系統(tǒng)框圖演示：

（圖自：Arm）

AMBA CHI C2C 基于現(xiàn)有的 AMBA CHI 協(xié)議，更加專注于基于 Arm 架構的系統(tǒng)，尤其是那些需要強調(diào)一致性模型、緩存一致性（Coherency）和機密計算（Confidential Computing）的環(huán)境。與Arm生態(tài)系統(tǒng)高度兼容，易于集成到現(xiàn)有設計中。

而 UCIe 則是一個更廣泛的行業(yè)標準，旨在支持包括物理層實現(xiàn)在內(nèi)的各種類型芯粒互連（如封裝內(nèi)和封裝外互連），無論是否基于 Arm 架構，強調(diào)開放性和行業(yè)協(xié)作。

在選擇上，AMBA CHI C2C專為高性能計算和AI應用設計，特別適合需要高帶寬、低延遲和數(shù)據(jù)一致性的場景。例如，在AI訓練和推理任務中，AMBA CHI C2C能夠高效連接CPU、GPU和AI加速器，確保數(shù)據(jù)在芯粒間快速傳輸。典型用例包括數(shù)據(jù)中心AI加速芯片、高性能計算（HPC）平臺以及基于Arm Neoverse的定制化解決方案等。

而UCIe 則適用于從消費電子到數(shù)據(jù)中心的廣泛場景，特別適合需要跨架構集成的應用。例如消費級處理器（如CPU、GPU）、異構計算平臺（如CPU+FPGA）或跨供應商芯粒集成。

合作伙伴與成功案例

CSA 在基礎設施、汽車及消費電子等多個市場領域，為 AI 技術驅(qū)動的多樣化工作負載提供了高效的解決方案，并樹立了多個成功案例。創(chuàng)新科技公司對 CSA 的廣泛參與，構成了基于 Arm 技術的芯粒生態(tài)系統(tǒng)的基石。

據(jù)悉，CSA規(guī)范的推出得到了超過 60 家行業(yè)領先企業(yè)的積極參與，包括 ADTechnology、Alphawave Semi、AMI、楷登電子(Cadence)、云豹智能、Kalray、Rebellions、西門子和新思科技(Synopsys)等。這些企業(yè)共同助力不同領域的芯片戰(zhàn)略制定并遵循統(tǒng)一的標準，并加速基于芯粒的系統(tǒng)創(chuàng)新。

例如在AI 領域，Alphawave Semi 的客戶對用于 AI 工作負載的高性能芯片有著迫切需求，涵蓋網(wǎng)絡、邊緣計算、存儲和安全等領域。為了響應這些需求，Alphawave Semi 將基于 Arm Neoverse CSS 的芯粒與專有 I/O 晶粒（die）相結合，利用 AMBA CHI C2C 技術，將針對不同市場需求定制的加速器互相連接。這些針對特定市場的定制化芯片基于一個標準化基礎，能夠有效分攤計算晶粒的成本，同時保持構建多種系統(tǒng)的靈活性。

而ADTechnology、三星晶圓代工廠、Rebellions 和 Arm四家公司聯(lián)合打造了 AI CPU 芯粒平臺，用于數(shù)據(jù)中心大規(guī)模 AI 工作負載的訓練和推理，預計可為生成式 AI 工作負載（Llama3.1 405B 參數(shù) LLMs）帶來 2-3 倍的能效優(yōu)勢。該多供應商芯粒平臺集成了 Rebellions 的 REBEL AI 加速器、使用 AMBA CHI C2C 互連技術的一致性 NPU 及 ADTechnology 基于 Neoverse CSS V3 的計算芯粒，并采用三星晶圓代工廠的 2nm 全環(huán)繞柵極（GAA）工藝進行制造。這項成果得益于 CSA 的標準化工作進展。

又比如在數(shù)據(jù)中心領域，Arm 和新思科技繼續(xù)就 AMBA 協(xié)議系列的最新擴展密切合作，以確保雙方的共同客戶能夠從使用 AMBA CHI C2C 協(xié)議中獲益，同時確保小芯片和 Multi-Die 設計符合協(xié)議標準。

CHI C2C協(xié)議涵蓋的兩個主要用例（圖自：新思科技）

新思科技針對基于 CHI 主機的 SMP 拓撲結構和 CHI 主機到 CXL 高速緩存/內(nèi)存器件的拓撲結構開發(fā)了多款 AMBA 驗證 IP 及多芯片驗證解決方案，幫助多位 HPC 和數(shù)據(jù)中心客戶順利完成了流片。

兩個芯粒通過UCIe連接的情況。每個芯粒都展示了從片上CHI到相應CHI C2C層的邏輯流，在功能上遵循UCIe流協(xié)議層標準。C2C接口（如AMBA CXS）在流協(xié)議層和UCIe傳輸層之間建立連接。（圖自：新思科技）

展望未來

根據(jù) Market.us 公布的報告，2023 年全球芯粒市場產(chǎn)生的市場規(guī)模約 31 億美元，預計到 2024 年將達到 44 億美元。2024 年至 2033 年，芯粒行業(yè)的復合年均增長率預計將達到 42.5%，到 2033 年估值將達到 1070 億美元。

全球Chiplet市場（圖自：market.us）

隨著CSA的推廣和實施，我們有理由相信，未來的半導體行業(yè)將迎來更加靈活且高效的芯片設計方式。未來，AMBA CHI C2C和UCIe可能會在協(xié)議層面實現(xiàn)更多的互操作，甚至出現(xiàn)融合趨勢。例如，通過橋接技術或協(xié)議轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)不同標準芯粒的協(xié)同工作。

對于那些尋求定制化解決方案的企業(yè)來說，芯粒技術無疑提供了一個極具吸引力的選擇。Arm CSA行業(yè)標準的推出，不僅僅是一個技術上的突破，更是整個半導體行業(yè)向著更加開放、協(xié)作方向發(fā)展的標志。

隨著越來越多的企業(yè)加入這一行列，我們期待看到更多基于芯粒技術的創(chuàng)新產(chǎn)品和服務不斷涌現(xiàn)，從而推動全球半導體產(chǎn)業(yè)邁向新的高峰。這也預示著一場關于芯粒和異構整合技術的創(chuàng)新競賽即將拉開帷幕，而Arm無疑站在了這場變革的前沿。

免費獲取CSA首個公開規(guī)范: https://developer.arm.com/documentation/den0145/latest