清华大学李翔宇、尹首一等 | 基于芯粒的系统设计综述：系统架构与互联

研究意义

基于芯粒的设计方法是将系统芯片分解成多个较小的芯粒（chiplet），并通过先进封装重新组装成一个新的系统芯片。这种方法在后摩尔定律时代备受关注，其在成本、性能和敏捷设计方面具有明显的优势。通过将大型芯片分解为面积更小的芯粒，制造良率得以提高，从而有效降低芯片产品的成本。同时，采用经过验证的可重用芯粒设计有助于降低芯粒的设计和制造成本，缩短系统芯片的设计周期，简化系统芯片的迭代和升级过程。

尽管芯粒设计作为一种新兴技术受到了广泛关注，但仍然面临诸多挑战。研究人员在封装、芯粒互连、设计方法学等方面进行了深入研究。在众多挑战中，芯粒的系统架构设计是一个重要的问题，涉及到系统功能的划分、功能单元到芯粒的物理映射，以及封装和芯粒互连的选择。这些因素直接影响系统性能和成本，是设计中的顶层问题。在芯粒互连方面，具体又包括如下一些新的挑战，如在硅中介互连的芯粒系统中进行互连网络和拓扑的优化，以及独立设计的芯粒组成的互连网络中如何避免死锁等问题。这些挑战相互关联，相互影响。

本文工作

本文从芯片设计者的角度全面的综述了现有的芯粒设计，对基于芯粒的系统架构设计问题的国际研究现状和最新进展归纳，并给出关于发展趋势的分析。与以往专注于底层技术或某一单一领域的分析不同，本综述采用了一种更全面、系统性的策略来研究这些方法，旨在为设计人员提供系统性的、纵向比较的观点。

本文总结了芯粒设计的系统架构，如图1所示，按照两种典型策略：“板级设计集成”和“系统芯片拆分”分别介绍。后者作为当前先进芯粒系统的典型策略。本文进一步按照应用领域、组织结构等因素分为：“拆分为同构芯粒”、“计算和互连的拆分”、“多处理器拆分”以及“分布式瓦片结构(tile-base)”，并对它们的优缺点进行纵向比较。本文还总结了芯粒设计中存储器子系统所面临的挑战和演变，以及基于可复用芯粒平台的芯粒设计趋势。

本文总结了芯粒设计的互连拓扑和路由方案。讨论了从无源硅中介层互连的芯粒系统，到互连网络分布到硅中介层上形成有源硅中介层，再到基于有源硅中介的网络拓扑这一演化过程。最后，本文分析和总结了芯粒系统中最新的模块化路由方案，并对它们了归纳和比较，如图2所示。

总结展望

本文最后总结了现有的工作，并对芯粒的发展趋势进行了展望，如异构MPSoC设计将受益于芯粒设计方法、芯粒设计的平台化设计趋势、封装-架构-互连的协同优化趋势等。

出版信息