儘管小晶片似乎是近年來才開始在半導體領域大規模普及,但英特爾可編程解決方案部門(PSG)其實早在2016發布的首款Stratix 10設備以來,就一直依賴小晶片技術實現其現場可編程門陣列(FPGA)。這些FPGA採用英特爾的嵌入式多晶片互連橋(EMIB)封裝技術,將主FPGA晶片與各種接口及內存小晶片對接起來。如今,英特爾採用相同的EMIB封裝技術將小晶片集成至下一代英特爾Agilex FPGA當中。這種基於小晶片的設計方法具備一大顯著優勢,允許英特爾快速在其FPGA產品家族中引入新的成員,而這已然成為PSG部門所依靠的一大核心能力。從各個角度來看,這種快速推出家族新成員的能力,已經給英特爾的FPGA客戶群體帶來巨大好處。
小晶片封裝使得英特爾PSG能夠為其FPGA添加各種新功能,包括:
2018年2月:58 Gbps PAM4收發器;
2019年8月:PCIe 4.0支持能力;
2019年11月:業界首款具有超1000萬個邏輯元件的FPGA;
2022年4月:PCIe 5.0 x16,運行速度可達320億次傳輸/秒;
2022年9月:直接模擬/數字射頻(RF)轉換速度為640億次轉換/秒;
2023年3月:116 Gbps PAM4收發器;
2023年5月:支持PCIe 5.0與CXL硬體。
英特爾PSG總經理兼副總裁Deepali Trehan表示,英特爾FPGA中的小晶片功能是客戶決定在其系統設計中選擇這些FPGA產品的主要原因。在FPGA中使用小晶片,使得英特爾能夠率先將上述先進功能引入產品,在保持技術領先的同時降低開發風險、並大大縮短開發時間。
作為英特爾FPGA的長期客戶之一,BittWare公司負責開發基於外圍組件互連Express(PCIe)總線標準的基於FPGA加速卡。BittWare過去20年間一直在基於英特爾FPGA開發PCIe加速卡產品。這些PCIe卡可用於計算加速、網路與傳感器融合,並經常在邊緣應用中配合英特爾至強CPU作為高性能數據處理器與輸入/輸出(I/O)引擎。
Molex BittWare業務部門總經理兼副總裁Craig Petrie指出,在FPGA中使用小晶片可以比其他方式更快為FPGA帶來新的I/O功能。組件層面的快速發布能力,使得BittWare的板級產品也能獲得同樣敏捷的上市時間。Petrie還特別指出,小晶片使BittWare能夠快速、連續推出帶有PCIe 4.0、PCIe 5.0、Compute Express Link(CXL)和高速以太網埠的加速卡。
Petrie表示,「Tiles(小晶片)解決了一個重大問題。」就是說,如果需要為每種新的I/O標準(例如各代PCIe和以太網標準)設計新的單片FPGA,則不可避免要要在FPGA的整體設計上做出一些細微調整。BittWare需要針對這些微小變化做設計調整,而調整終歸需要額外的設計時間。但通過小晶片來實現這些I/O功能,FPGA的核心部分(主晶片)可以繼續維持不變。因此,小晶片允許英特爾等半導體廠商能夠更快適應新的I/O功能,且無需重新設計主FPGA晶片。Petrie強調,「這樣就降低了我們的設計風險。」
Liquid-Markets-Solutions (LMS)公司聯合創始人、總裁兼CEO Seth Friedman對基於小晶片的FPGA也有類似的看法。這家公司開發了名為「ÜberNIC」的網路接口卡(NIC),最初專為金融市場的高速交易需求而生。在這部分市場中,每一微秒的變化都極其重要,速度較慢的交易在利潤上根本無法與速度較快的交易相匹敵。為此,LMS開發出一套快速、基於硬體的完整以太網協議棧,並將其引入網卡上的英特爾FPGA當中,藉此滿足金融業客戶對於低延遲的嚴苛要求。
但LMS很快發現,許多其他涉及電信、計算、廣播、研究和學術界的組織也同樣需要高速網卡,包括測試設備、建立自動視覺系統等。另外,雲服務提供商和超大規模基礎設施提供商的數據中心對於高速網卡也有著旺盛需求。
Friedman指出,FPGA中的小晶片通過PCIe 5.0埠為其帶來了上市時間方面的優勢,同時也讓他們得以快速引入CXL 1.1和2.0。「這一切,都要歸功於小晶片技術。」Friedman還解釋道,小晶片對LMS有著另外一個重大優勢:收發器密度。基於小晶片的FPGA能配備大量高速以太網收發器,幫助LMS將2到4倍數量的光纖接入同一款ÜberNIC網卡。
LMS選擇英特爾FPGA的目的不只是看重其I/O優勢。如前文所言,FPGA中的可編程硬體允許該公司構建高速以太網協議引擎,此外FPGA還保留了靈活空間,可用於整合對最終客戶具有巨大價值的其他附加功能。例如,LMS已經將英特爾第四代至強Scalable CPU中的精密時間測量(PTM)功能引入其ÜberNIC網卡。PTM可以通過獨立的本地時鐘精確協調多個組件間的事件。這種精確的時間功能可在高速金融交易中創建準確的時間戳,同時也能為數據流提供精確的時間戳。這種能力藉助的正是FPGA所提供的可編程硬體,「傳統網卡則無法提供此項功能。」
BittWare和LMS等客戶的讚許,也讓英特爾堅定了在FPGA路線圖中繼續使用小晶片的決心。目前,英特爾PSG的FPGA依賴於EMIB封裝技術和英特爾開發的所謂高級接口總線(AIB)協議。英特爾隨後將其作為開源、免版稅標準貢獻給了CHIPS聯盟。然而,如今英特爾PSG的發展路線圖已經超越了目前EMIB和AIB的使用範圍。
英特爾公司的Trehan表示,「UCIe對於我們的下一代FPGA來說極為重要。」他所指的,是目前由UCI Express開發的Universal Chiplet Interconnect Express (UCIe)標準。UCI Express是英特爾去年3月與Advanced Semiconductor Engineering(ASE)、AMD、Arm、Google Cloud、Meta、微軟、高通、三星和台積電共同成立的行業聯盟及非營利組織。通過將UCIe作為小晶片的互連標準,Trehan預計未來會誕生出小晶片市場,由各家代工廠使用不同的半導體製程工藝進行製造,再由英特爾組裝出具備各種電子特性(包括氮化鎵)並直接集成有高速光學I/O的FPGA封裝。這些新功能,將為FPGA帶來全新的應用前景。
目前,小晶片在高端半導體設備中的應用已經成熟,其後盾正是FPGA所開創的多年實踐經驗。小晶片如今開始在CPU和GPU中占據一席之地。研究機構TIRIAS Research認為,未來小晶片的應用將在這些高端設備中持續擴張,以添加新的特性/功能、提高性能並延長摩爾定律的壽命,同時滿足客戶對於上市時間的嚴苛要求。而由全行業聯盟UCIe開發的小晶片間接口標準將進一步加快這種趨勢。與此同時,單片結構則繼續作為最便宜的封裝方案選項,在低成本半導體器件的製造中維持長久以來的主導地位。