上個(gè)月，IFS（Intel Foundry Services）和Arm達(dá)成協(xié)議，計(jì)劃優(yōu)化Arm的IP，以適應(yīng)Intel即將推出的18A工藝（1.8nm）。這次合作將主要關(guān)注移動(dòng)領(lǐng)域的設(shè)計(jì)，并將進(jìn)行DTCO（design technology co-optimization）和STCO（system technology co-optimization），這意味著Arm的IP將為Intel即將推出的工藝節(jié)點(diǎn)和該公司的先進(jìn)封裝技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

? IFS和Arm將共同優(yōu)化Arm的IP，使用DTCO方式為Intel的18A工藝優(yōu)化性能、功耗和成本。這次合作的關(guān)鍵成果之一將是開發(fā)一個(gè)“基于Arm的移動(dòng)SoC、芯片技術(shù)演示，以及芯片設(shè)計(jì)參考平臺(tái)”，這是一個(gè)相當(dāng)廣泛的定義。 ? 與此同時(shí)，Intel和Arm確認(rèn)工作已經(jīng)開始。 ? Intel的一位發(fā)言人表示，“這項(xiàng)工作將驗(yàn)證Arm SoC設(shè)計(jì)在Intel 18A工藝中的性能、功耗和面積利用率。” ? Arm的一位發(fā)言人解釋道，“我們正在構(gòu)建定制IP，以確保基于Arm的SoC設(shè)計(jì)的最佳功耗、性能和面積。通過這次公告，我們?yōu)槲覀兊腎P客戶提供了基于Arm的SoC設(shè)計(jì)的另一個(gè)可選項(xiàng)。” ?

STCO的層次結(jié)構(gòu)。設(shè)備優(yōu)化、DTCO、3DIC和STCO之間的差異。 ?

尋找新客戶

雖然最初幾代合作將主要關(guān)注移動(dòng)SoC項(xiàng)目和部分Arm IP（例如，Cortex-A CPU IP，Mali GPU IP等），但兩家公司表示，合作范圍可能會(huì)擴(kuò)展到汽車、航空航天、數(shù)據(jù)中心（例如，Neoverse）、IoT和政府應(yīng)用。雖然“政府應(yīng)用”是一個(gè)相當(dāng)模糊的詞，但要記住，Intel的18A已經(jīng)被美國(guó)國(guó)防部選中，所以或許對(duì)于Arm的授權(quán)公司來(lái)說(shuō)，用優(yōu)化的Arm IP來(lái)滿足美軍的需求會(huì)稍微容易一些。 ? 與此同時(shí)，IFS-Arm公告重要性的普遍性不容低估，因?yàn)樗_保IFS將能夠生產(chǎn)基于優(yōu)化的Arm IP的SoC，就像競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手TSMC和Samsung代工廠一樣。 ? 另一方面，Arm需要確保其內(nèi)核可以通過盡可能多的芯片公司在盡可能多的工藝制程上生產(chǎn)。 ? More Than Moore的首席分析師Ian Cutress說(shuō)：“Arm需要確保其內(nèi)核在盡可能多的工藝節(jié)點(diǎn)上得到驗(yàn)證，但對(duì)于Intel來(lái)說(shuō)，這給他們提供了一個(gè)面向許多Arm生態(tài)系統(tǒng)玩家的賣點(diǎn)。

TSMC在這方面做得就非常好。Intel需要可以可以按數(shù)量級(jí)增長(zhǎng)的客戶群，而對(duì)于Arm來(lái)說(shuō)，這只是‘另一步’。” ? Real World Tech的總裁兼MLPerf的聯(lián)席主席David Kanter說(shuō)：“IFS希望盡可能多地?fù)碛蠭P，以便客戶能夠構(gòu)建產(chǎn)品。在IFS上可用的IP越多，獲客的阻力就越小。” ? Tirias Research的首席分析師Jim McGregor表示：“這有助于將IFS與行業(yè)的需求對(duì)齊，而這個(gè)焦點(diǎn)是性能與能效。而且這樣會(huì)讓代工市場(chǎng)更加充分競(jìng)爭(zhēng)。” ? 目前，合作的范圍僅限于移動(dòng)SoC，可能多少有些困惑，因?yàn)镮ntel近年來(lái)在數(shù)據(jù)中心以及大芯片上都投入了較多關(guān)注。但這對(duì)Arm和IFS來(lái)說(shuō)都是非常有意義的，因?yàn)?a target="_blank">智能手機(jī)SoC是Arm最大的收入來(lái)源之一，也是IFS的一個(gè)好機(jī)會(huì)。 ? Cutress說(shuō)：“現(xiàn)在，因?yàn)镾oftbank和IPO，Arm正在限制它正在進(jìn)行的項(xiàng)目，所以它正在挑選和選擇最有利的機(jī)會(huì)。移動(dòng)SoC是一個(gè)好的目標(biāo)，因?yàn)镮FS實(shí)際上只有高性能節(jié)點(diǎn)可以提供，且基板尺寸小（~100-150mm2），相比大的，700mm2的數(shù)據(jù)中心芯片對(duì)產(chǎn)量提升更有利。汽車領(lǐng)域的芯片并不總是需要領(lǐng)先的節(jié)點(diǎn)，所以移動(dòng)SoC是很好的選擇。如果我們看TSMC，其收入的34%來(lái)自智能手機(jī)，44%來(lái)自HPC，所以IFS-Arm追求移動(dòng)IP的驗(yàn)證是有意義的。” ?

不僅僅是移動(dòng)領(lǐng)域

Intel認(rèn)為其18A工藝在性能、功耗和晶體管密度方面將具有無(wú)可爭(zhēng)議的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。該公司最初計(jì)劃其18A工藝將是第一個(gè)使用ASML的High-NA Twinscan EXE EUV掃描器的技術(shù)，預(yù)計(jì)在2025年的某個(gè)時(shí)候達(dá)到0.55的數(shù)值孔徑，但最終，該公司透露，在2024年下半年，它可以使用現(xiàn)有的0.33-NA EUV工具進(jìn)行雙模曝光，而不是使用下一代設(shè)備。同時(shí)，為了降低EUV雙模曝光與優(yōu)化20A和18A的成本，該公司將采用Applied Materials的Centura Sculpta塑形工具。

? 如果Intel能夠用其18A制程提供最高的性能效率和晶體管密度，并且能提供良好的財(cái)務(wù)條件，fabless將傾向于使用它。此外，借助優(yōu)化的標(biāo)準(zhǔn)Arm IP，這種工藝對(duì)SoC開發(fā)人員來(lái)說(shuō)會(huì)非常有吸引力。 ? Kanter指出，“支持Arm核的目標(biāo)是，這些內(nèi)核被廣泛用于各種產(chǎn)品，并成為許多SoC的‘標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建模塊’”。
? 雖然這次公告內(nèi)容非常籠統(tǒng)，但這次合作承諾為Arm的授權(quán)者提供很多可能性，包括已經(jīng)宣布計(jì)劃使用Intel 18A制程的Qualcomm，但未透露是為了哪類的產(chǎn)品。MTK是另一家注冊(cè)使用IFS產(chǎn)能的主要移動(dòng)SoC供應(yīng)商，但它尚未對(duì)Intel的1.8nm節(jié)點(diǎn)表現(xiàn)出興趣。分析師表示，IFS-Arm公告的其他不太明顯的受益者可能還有其他公司。

? Cutress表示：“Qualcomm已經(jīng)表達(dá)了興趣，但是在一家公司開始付款并投資設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)之前，我還是持懷疑態(tài)度。MTK已經(jīng)表達(dá)了興趣，但迄今為止，其它移動(dòng)SoC供應(yīng)商的興趣還不大。其他幾個(gè)主要的玩家，Apple在Intel成為領(lǐng)導(dǎo)者之前不可能；Samsung，可能有點(diǎn)奇怪，但不是不可能；Unisoc，可能是解決中美貿(mào)易難題的一種方式。” ? Qualcomm已經(jīng)在其Snapdragon SoC中使用了定制的基于Arm的大核，未來(lái)幾年，該公司計(jì)劃在一系列產(chǎn)品中采用高度定制的Nuvia開發(fā)的Arm微架構(gòu)。因此，它不太可能對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的高性能Arm Cortex感興趣，但它仍然可以利用為Intel的18A優(yōu)化的Arm技術(shù)。 ? Kanter說(shuō)：“以Qualcomm為代表，許多移動(dòng)SoC都喜歡在手機(jī)或服務(wù)器中使用較小的內(nèi)核。在移動(dòng)領(lǐng)域中，MTK傾向于在他們的產(chǎn)品線中使用標(biāo)準(zhǔn)的Arm核。” ? Tirias Research的McGregor說(shuō)：“Qualcomm是顯而易見的受益者，但Apple也可能從中受益。MTK與Intel在modem領(lǐng)域有合作，也可能從中受益。Google可能從中受益。其他考慮自制芯片的手機(jī)OEM也可能從中受益。” ?

實(shí)際上，有很多非移動(dòng)應(yīng)用（從汽車到數(shù)據(jù)中心的各種應(yīng)用）都可以從優(yōu)化為Intel 18A節(jié)點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)Arm核中受益。 ? Cutress說(shuō)：“那里也有很多你可能沒有想到的像移動(dòng)SoC一樣的ASIC：IPMI芯片、ACAPs Xilinx/硬化的FPGA，控制器等。對(duì)汽車信息娛樂芯片的要求并不那么高。” ? Kanter說(shuō)：“Arm IP在汽車信息娛樂中可能很有用。只需看看GM對(duì)安卓的采用情況。Android在Arm上運(yùn)行得最好。” ? McGregor說(shuō)：“移動(dòng)細(xì)分市場(chǎng)只是冰山一角。CE和嵌入式市場(chǎng)的Arm組件更多。” ? 實(shí)際上，他說(shuō)，IFS和Arm的合作可能會(huì)迅速擴(kuò)展到更具挑戰(zhàn)性的數(shù)據(jù)中心應(yīng)用。 ? McGregor補(bǔ)充說(shuō)：“他們可以很快地?cái)U(kuò)展它。你必須記住，Intel已經(jīng)采用Arm授權(quán)很多年了。Intel熟悉這種架構(gòu)。唯一的限制是需求。如果機(jī)會(huì)出現(xiàn)，我相信我們會(huì)看到這些產(chǎn)品在Intel運(yùn)行，盡管他們會(huì)與其他Intel產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)。” ?

DTCO遇見GAA和背面PDN

談到晶圓廠，DTCO方法已經(jīng)存在一段時(shí)間，所以IFS絕對(duì)不是首個(gè)引入DTCO的。實(shí)際上，大部分Intel自家的CPU內(nèi)核都是針對(duì)特定生產(chǎn)節(jié)點(diǎn)構(gòu)建的，這是在頻率和功耗方面展現(xiàn)出DTCO優(yōu)勢(shì)的良好示例，盡管是在IDM中，所以Intel對(duì)此方法一點(diǎn)也不陌生。

Intel的18A制程將是公司第二個(gè)（繼20A之后）采用GAA晶體管的節(jié)點(diǎn)，Intel稱其為RibbonFET，以及采用PDN（power delivery network），被Intel命名為PowerVia。Intel的20A和18A是兩種既為Intel自身也為IFS客戶開發(fā)的制程。此外，兩者都為DTCO提供了豐富的選項(xiàng)。

Intel的RibbonFET GAA晶體管架構(gòu)堆疊了四個(gè)納米帶，以實(shí)現(xiàn)與多個(gè)鰭片相同的驅(qū)動(dòng)電流，但占用的空間較小。（來(lái)源：Intel）

與平面晶體管和FinFET相比，GAAFET提供了幾個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)，如顯著減小的漏電流，因?yàn)闁艠O環(huán)繞著通道的四個(gè)側(cè)面。

此外，在GAA晶體管中，可以改變特定工藝或甚至特定芯片設(shè)計(jì)中納米片的寬度，從而進(jìn)行性能（寬度增加）、能耗（寬度減小）和芯片面積的微調(diào)。

對(duì)于移動(dòng)SoC設(shè)計(jì)，GAA晶體管的漏電流減少是無(wú)可爭(zhēng)議的好處。為移動(dòng)設(shè)計(jì)進(jìn)一步定制晶體管架構(gòu)可能會(huì)在功耗和性能方面帶來(lái)額外的好處。與此同時(shí)，調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)單元，開發(fā)為移動(dòng)定制的庫(kù)并在Intel的18A上實(shí)現(xiàn)Arm IP，應(yīng)該能在晶體管級(jí)別進(jìn)一步優(yōu)化性能、功耗、面積和成本。但I(xiàn)FS和Arm尚未確認(rèn)與晶體管設(shè)計(jì)優(yōu)化相關(guān)的任何具體細(xì)節(jié)。

由于接觸電阻增加和IR下降，導(dǎo)致能量損失、性能降低和高溫，向更薄的節(jié)點(diǎn)供電已經(jīng)成為一種挑戰(zhàn)。背面PDN（PowerVia）將電源線從數(shù)據(jù)I/O線路移開，簡(jiǎn)化了連接性并使PDN更加成熟。

Intel的背面PDN，PowerVia，它將電源線和信號(hào)線分開并縮小標(biāo)準(zhǔn)單元的大小。電源線放在晶體管層下方，位于晶片的背面。（來(lái)源：Intel）

Intel的發(fā)言人說(shuō)：“總的來(lái)說(shuō)，通過消除對(duì)晶圓正面進(jìn)行電源布線的需求，我們可以騰出更多的資源來(lái)優(yōu)化信號(hào)布線并減少延遲。這使我們可以根據(jù)產(chǎn)品需求，優(yōu)化性能、功耗或面積。”

供電通常會(huì)因芯片設(shè)計(jì)的不同而有所差異。

例如，用戶端和數(shù)據(jù)中心處理器的CPU都是為滿足不同的性能要求而定制的，因此，它們需要不同的PDN。服務(wù)器處理器能夠穩(wěn)定地處理重型工作負(fù)載，并在需求達(dá)到峰值時(shí)可以短暫提高其時(shí)鐘速度。

另一方面，用戶端CPU通常被優(yōu)化以應(yīng)對(duì)突發(fā)行為，因?yàn)樗鼈兺ǔ１３痔幱诜腔顒?dòng)狀態(tài)或工作負(fù)載較低。但當(dāng)啟動(dòng)資源密集型工作負(fù)載時(shí)，這些處理器需要快速（在微秒內(nèi)）從非活動(dòng)狀態(tài)提升到最大速度，有時(shí)甚至超過最大速度，以確保用戶體驗(yàn)的順暢。智能手機(jī)SoC設(shè)計(jì)針對(duì)更快速地響應(yīng)需求，因此它們需要自己的PDN設(shè)計(jì)。

與Intel可能針對(duì)更廣泛應(yīng)用而設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)PowerVia PDN相比，針對(duì)智能手機(jī)SoC的Arm IP優(yōu)化PowerVia PDN可能會(huì)帶來(lái)許多性能和功耗方面的優(yōu)勢(shì)。當(dāng)然，IFS和Arm并未確認(rèn)計(jì)劃在當(dāng)前的合作中為標(biāo)準(zhǔn)移動(dòng)Arm IP定制RibbonFET和PowerVia。

Kanter解釋說(shuō)：“我預(yù)計(jì)Intel的GAA性能會(huì)超過其他代工廠的選項(xiàng)，部分原因在于采用了PowerVia（以及晶體管實(shí)施的差異）。因此，這可能會(huì)轉(zhuǎn)化為更好的頻率或者在相似頻率下更低的功耗。Intel的PowerVia是20A和18A的一部分，因此我預(yù)計(jì)優(yōu)化Arm IP的Intel工藝中會(huì)包括PowerVia。根據(jù)我看到的分析，PowerVia似乎很可能通過更好的供電提供小幅度的性能提升（比如說(shuō)，3%到7%）和相當(dāng)可觀的面積減小（15%到20%）。”

Cutress附和說(shuō)：“盡管IFS和Arm之間的合作將為計(jì)劃采用Arm的移動(dòng)IP的客戶帶來(lái)許多好處，但I(xiàn)FS愿意與每一個(gè)足夠大的客戶密切合作以提高PPA。”

他補(bǔ)充說(shuō)：“在Arm中沒有特定的東西意味著Intel的GAA會(huì)有好處；晶體管和架構(gòu)是獨(dú)立的。我認(rèn)為IFS會(huì)盡其所能給予其主要客戶額外的好處，特別是如果是大玩家（Apple、Qualcomm），不論是芯片還是架構(gòu)。”

McGregor說(shuō)他沒有看到Arm相比其他架構(gòu)有任何特定的好處：“半導(dǎo)體/晶體管設(shè)計(jì)的進(jìn)步將對(duì)整個(gè)行業(yè)有益。”

一個(gè)multi-daie用戶端應(yīng)用系統(tǒng)封裝的例子（來(lái)源：Intel）

IFS和Arm在言論中提到的另一個(gè)細(xì)節(jié)是意圖優(yōu)化目標(biāo)平臺(tái)“從應(yīng)用和軟件，到封裝和芯片”，基本上意味著STCO。盡管Intel承認(rèn)EMIB（2.5D）和Foveros（3D）封裝技術(shù)都在考慮范圍內(nèi)，但公司還沒有準(zhǔn)備分享任何其他細(xì)節(jié)。

Intel說(shuō)：“合作會(huì)考慮到2.5D和3D封裝技術(shù)。”

移動(dòng)領(lǐng)域的SoC一直都是高度集成的，引入解耦設(shè)計(jì)將標(biāo)志著行業(yè)的里程碑。盡管目前尚未明確Intel和Arm在這里打算做什么，因?yàn)槁暶鞯目蚣苣壳皟H限于Intel的18A節(jié)點(diǎn)，而解耦設(shè)計(jì)則暗示了使用幾個(gè)節(jié)點(diǎn)來(lái)優(yōu)化成本。此外，分析師們指出，現(xiàn)在先進(jìn)封裝的成本非常高。

Cutress表示，過去兩年，Qualcomm在IEEE會(huì)議上介紹了關(guān)于芯片策略和封裝的主題，并補(bǔ)充說(shuō)，“如果不是在智能手機(jī)上，那么在筆記本上肯定會(huì)發(fā)生。主要的爭(zhēng)議點(diǎn)是成本，芯片封裝仍然非常昂貴。”

Kanter表示，移動(dòng)設(shè)備中的先進(jìn)封裝將取決于成本：“現(xiàn)在，大多數(shù)先進(jìn)的封裝技術(shù)實(shí)施起來(lái)相對(duì)昂貴。看看3D堆疊的成本增量。一旦好處變得更大，或者我們能夠通過更成熟的工藝降低成本，這可能會(huì)促成更先進(jìn)的封裝。”

McGregor表示，解耦的移動(dòng)SoC設(shè)計(jì)不會(huì)在近期內(nèi)，“你必須記住，移動(dòng)設(shè)備有尺寸、功率和成本的限制。因此，擁有單一芯片仍然有優(yōu)勢(shì)。至少在先進(jìn)封裝成本下降或多芯片的經(jīng)濟(jì)效益變化之前不會(huì)。”

實(shí)際上，Arm也表示，雖然移動(dòng)SoC的解耦是可能的，但必須非常謹(jǐn)慎地評(píng)估。“有許多因素在起作用。移動(dòng)領(lǐng)域的成本結(jié)構(gòu)需要評(píng)估，重要的是，RTL需要進(jìn)行優(yōu)化，以確保可以充分利用解耦和封裝技術(shù)。”

但Kanter表示，STCO可能不僅限于封裝，還涉及從熱管理到生產(chǎn)工藝的所有內(nèi)容。

他說(shuō)：“我認(rèn)為STCO包含的內(nèi)容不僅僅是封裝。其中一部分是將熱管理、供電和封裝集成到整體制造工藝中。”

計(jì)算系統(tǒng)的系統(tǒng)技術(shù)共同優(yōu)化（來(lái)源：英特爾）

廣泛的地理布局

Intel預(yù)計(jì)IFS會(huì)擁有的一個(gè)優(yōu)勢(shì)是，它將在美國(guó)和歐洲都有18A的生產(chǎn)能力，這將使IFS的客戶將供應(yīng)鏈多樣化。

因?yàn)槟壳暗暮献鲀H限于Arm的移動(dòng)IP，而領(lǐng)先的移動(dòng)SoC開發(fā)商位于美國(guó)（Apple，Qualcomm）、臺(tái)灣（MTK）和中國(guó)（Unisoc），考慮到實(shí)際設(shè)備仍將在中國(guó)、印度或東南亞國(guó)家組裝，所以還不清楚他們是否認(rèn)為在美國(guó)或歐洲生產(chǎn)他們的SoC很重要。

然而，Kanter和McGregor表示，考慮到目前的地緣政治緊張局勢(shì)，多元化的供應(yīng)鏈本身可能是一個(gè)優(yōu)勢(shì)，所以在美國(guó)和歐洲制造18A節(jié)點(diǎn)的芯片是IFS將擁有的無(wú)可爭(zhēng)議的王牌。

McGregor說(shuō)：“在美國(guó)和歐洲都有生產(chǎn)能力是一個(gè)優(yōu)勢(shì)，特別是對(duì)軍事/政府應(yīng)用而言。”

編輯：黃飛

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