如何彌合芯粒間互操作性鴻溝

（本文編譯自Electronic Design）

目前，芯粒已成為下一代系統架構討論中的核心議題。當前業界描繪的愿景是：設計團隊能夠通過標準接口與簡化流程，混合搭配來自不同供應商的芯片，構建多芯片系統。

人們常將其類比為現成的IP組件，期望芯粒能像無源器件乃至MCU一樣易于獲取、具備互操作性。然而，盡管這一構想極具吸引力，但要實現，卻與現實仍相去甚遠。

芯粒集成的當前格局

芯粒通常分為兩種架構類型：同質橫向擴展與異質分解集成。同質設計在一個封裝內使用多個相同芯片來擴展性能容量，而異質方案則將針對特定功能、功能互不相同的芯片組合在一起。

圖1展示了這兩種方式：多芯片系統由重復的計算單元或專用模塊互連構成統一系統。這些頂層架構策略決定了設計團隊如何平衡可擴展性、性能與制造復雜度。

圖1：同質與異質多芯片架構支持不同的芯粒集成策略。

盡管多芯片系統已投入量產，但當前實現方案仍局限于特定應用場景。大型企業自研芯粒，想要掌控設計、集成與封裝全流程；小型企業則與一兩家可信任合作伙伴協作，在流片前共享交付物、緊密協同開發。這些方式可實現功能設計，但尚未形成真正的互操作環境。

眾多企業正投資芯粒及相關封裝技術，但實現真正的多廠商芯粒互操作性仍是一項重大挑戰。各廠商普遍采用自研設計工具、驗證流程、封裝方案與接口標準，導致來自不同供應商芯粒的集成工作極為復雜。

UCIe等標準在物理層與協議層提供了助力。然而，完整的系統級集成仍依賴統一的地址映射、一致性模型與軟件協同。

芯粒可跨芯片集成，需要針對特定需求進行定制設計。要實現更廣泛的互操作性，即不同芯粒可在同一系統中自由組合，仍需一套尚未成型的標準化設計流程。

這一目標的實現，有賴于接口標準、設計自動化工具、系統級驗證、軟件仿真、先進測試與全行業協作的持續推進。在此之前，芯粒技術真正的即插即用互操作性仍停留在愿景階段。

片上網絡架構彌合分解式設計的鴻溝

當前限制芯粒互操作性的諸多集成挑戰，與早年采用軟核IP和硬核IP時面臨的問題十分相似。

軟核IP以可綜合的RTL代碼形式交付，能夠集成到不同工藝技術中，具備良好的可移植性，易于在不同設計間適配。硬核IP則是針對特定工藝節點優化的固定物理布局，可復用性與靈活性受限。與軟核IP不同，存儲器接口等硬核IP組件因必須嚴格匹配工藝特性，長期以來難以復用。

芯粒作為物理上分解的硬核IP，進一步加劇了這些挑戰。每顆芯片都必須在協議、電源域、工藝節點與性能目標上保持兼容。若缺乏統一標準與基礎架構，設計復雜度將大幅上升。

許多工程師正在將原本用于管理片上系統（SoC）內部IP集成的片上網絡（NoC）架構進行改造，并將其擴展應用到多芯片場景。在單芯片設計中，片上網絡通過基于唯一目標地址的數據包路由，實現IP模塊間的通信。在多芯片系統中，每顆芯片均可部署一套片上網絡，并通過橋接結構相互連接。

這種架構讓多個獨立的片上網絡在功能上呈現為統一整體。它們在保留寄存器映射與地址完整性的同時，能夠適配帶寬、電源域與配置差異。設計團隊可將SoC劃分至多顆芯片，同時維持系統級功能與性能目標。

分解式集成讓企業能夠更高效地開發滿足性能、成本與合規要求的系統。將I/O接口、數字邏輯、存儲控制等功能分離到專用芯片后，每個模塊均可采用最適配的工藝節點實現。

領先的半導體企業已在采用此類策略。在汽車等對可靠性與認證要求嚴苛的領域，分解式集成支持對單個芯粒進行增量升級，同時保持系統其余部分的合規性。

芯粒生態系統展望

行業的長遠愿景是構建一個芯粒生態系統，設計團隊能夠選用來自不同供應商的組件，并借助可互操作標準將其集成。這與如今通過標準化應用程序接口（API）組合來自多個來源的程序庫十分相似，該模式將為系統設計帶來更強的靈活性、更快的開發周期以及更加模塊化的開發方法。

然而，當下的現實仍停留在專屬開發流程與預驗證的合作關系中。盡管多芯片系統已實現量產，尤其是在頭部企業中，但其集成依賴于受控的開發環境以及可信供應商之間的緊密協作。

與此同時，互連技術、封裝技術與片上網絡抽象層的進步，正在為未來的互操作性奠定基礎。

隨著行業不斷向前發展，保持務實的看法至關重要。芯粒模式前景廣闊，但要充分發揮其潛力仍需時間。