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DARPA 在2017年启动的CHIPS计划：实现电子设计的模块化和重复使用

摘要

DARPA 的CHIPS（异构集成和IP重复使用战略），Common Heterogeneous Integration and Intellectual Property （IP） Reuse Strategies计划旨在为电子设计和制造建立一个新的框架。通过将不同功能模块化为“芯片组”，其目标是实现设计迭代的快速重用和跨项目重复使用这些模块。这对国防和商业应用来说，可以降低成本和缩短上市时间。关键的使能技术是芯片组接口、封装技术和设计工具的标准化。本文概述了CHIPS计划的目标、概念和最新进展，还检视了CHIPS试图解决的当前单片集成设计方法的局限性。

简介

数十年来，摩尔定律预计的指数增长一直是推动电子行业进步的发动机，使晶体管密度和计算能力定期翻番。这使得越来越复杂的系统可以集成在单个集成电路（IC）中。然而，推进到新的、更密集工艺节点的成本已经暴涨。这限制了对这些节点的访问并抑制了创新。与此同时，系统复杂性和需求持续增长。这带来一个困境——如何以一种成本效益的方式继续提供性能和功能的提升?

DARPA 的 CHIPS 计划，作为更广泛的电子业复苏计划（ERI）的一部分，旨在开发一种替代方法来解决这些问题。其思路不是将复杂的异构系统制作成单片IC，而是将不同功能模块化为芯片组，可以通过集成在互连器上进行灵活组合。通过使芯片组在多个设计中重复使用，其目标是降低成本并实现设计迭代的快速重用。但是，实现这一愿景需要克服各种挑战。需要芯片组接口、封装技术、设计工具和制造工艺的标准化，以使模块化混合匹配的范例成为可能。

本文概述了CHIPS计划的目标、概念和最新进展。检视了CHIPS试图解决的当前单片集成设计方法的局限性，分析了实现基于芯片组的模块化设计所需的关键创新。

单片集成的局限性

继续将整个异构系统集成在单个IC中带来的回报越来越少。在先进工艺节点上制造的大型复杂芯片需要巨大的设计成本和风险。与此同时，并非所有组件都受益于缩放——模拟、射频、电源管理和I/O功能具有不同需求。

单片集成也缺乏灵活性——对一部分的更改需要重新设计整个芯片。跨项目升级或重用特定模块很困难。这些因素延长开发周期并增加成本。国防系统的产量较低，高昂的非重复工程费用难以摊薄。复杂性提高也使验证和验证极具挑战性。

CHIPS计划的目标和概念

CHIPS计划旨在通过开发基于芯片组的模块化系统设计框架来克服这些局限性。其目标是将异构系统的关键指标如性能、功耗和形式因子提高到接近单片IC的水平。图1概述具体目标。基于可重用芯片组的模块化架构，预计可将成本降低10倍，开发时间缩短3倍。

图1 CHIPS 计划的具体目标

图2说明CHIPS的概念。其思路不是在单个IC中实现所有功能，而是将计算、存储和I/O等主要功能分离为离散的芯片组。然后可以利用2.5D和3D集成中使用的高密度互连将其集成在硅互连器上。这避免了印制电路板集成的局限，如较大尺寸和焊盘间距。其结果是一个密集的高性能异构系统。

图2 CHIPS的概念

可以通过在合适工艺中制造来优化芯片组，而不是强制使用高成本的先进工艺节点。只有某些计算密集型芯片组需要使用先进工艺。DARPA设想芯片组将成为可以在设计和项目中混合匹配的商品化IP模块。这应该可以提高重用性并降低成本。模块化还可以更轻松地升级独立模块而无需重新设计所有内容。

进展和关键技术

实现CHIPS愿景需要克服各种技术和生态系统挑战。要使芯片组即插即用，需要在不同实体间标准化电接口、封装技术、设计工具和制造工艺。

CHIPS计划包括十几家国防、商业半导体、EDA和学术界的主要承包商。英特尔先进接口总线（AIB）被选为标准电接口。AIB提供高带宽且功耗低——这是该计划确定的一个关键使能技术。图3显示由AIB互连的多芯片组系统示例。英特尔公司推动这一免授权费接口的采用，会加速生态系统发展。

图3由AIB互连的多芯片组系统示例

在物理集成方面，将芯片组微墨水坞到硅互连器上是明智选择，利用2.5D和3D IC中现有技术。这允许利用IC类集成平台的高密度互连功能。铜柱互连或金热压焊接是候选方法。标准化芯片组封装对确保供应商间的互操作性至关重要。

进行各个芯片组的设计，如ADC、AI加速器和内存，在2019年演示将不同参与方的芯片组集成在互连器上的示例。除开发可重用IP模块外，该计划还旨在创建定制的设计工具和方法论。生态系统采纳和实体间协作对成功至关重要。

影响

电子行业进入后摩尔定律时代。创新必须来自架构进步和设计改进，而不仅仅是晶体管缩放。这一转折点为颠覆现状提供机会。

概念上，CHIPS提供了一种有前景的方法来在降低成本的同时继续提高性能和功能。如果能够克服技术和生态系统的挑战，对国防和商业应用来说，其效益可能都很可观。与昂贵的一次性设计不同，从模块化芯片组库快速组装系统将可以满足日益增长的性能需求。

然而，这种范式的转变并不容易。该行业拥有围绕单片集成建立起来的数十年专业知识和基础设施。需要出现新的设计流程、制造工艺、验证方法和供应链。这需要各方实体大量协调才能实现即插即用的愿景。

结论

通过基于可重用芯片组的灵活混合匹配方法实现电子设计，DARPA 的 CHIPS 计划旨在降低后摩尔定律时代的成本和上市时间。已经取得初步进展，包括选择标准化芯片组接口。即将到来的里程碑将演示组装和集成技术。如果成功，CHIPS可以显著扩大国防和商业应用中的创新能力。但是，这种模块化设计愿景仍面临生态系统障碍。这需要广泛协作来开发必要的标准和基础设施。以更低成本提高性能的潜在回报为这种有前景的异构系统架构的演进提供了动力。