芯片和封裝級互連：現(xiàn)代計算系統(tǒng)的進展與挑戰(zhàn)

逍遙設(shè)計自動化

引言
* M; U' P. ?6 l1 S近年來，計算領(lǐng)域發(fā)生了巨大變化，通信已成為系統(tǒng)性能的主要瓶頸，而非計算本身。這一轉(zhuǎn)變使互連技術(shù) - 即實現(xiàn)計算系統(tǒng)各組件之間數(shù)據(jù)交換的通道 - 成為計算機架構(gòu)創(chuàng)新的焦點。本文探討了通用、專用和量子計算系統(tǒng)中芯片和封裝級互連的最新進展，并強調(diào)了這一快速發(fā)展領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)、挑戰(zhàn)和機遇[1]。


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! v( o  T( g. F, m, k關(guān)鍵互連技術(shù)
現(xiàn)代互連技術(shù)不斷發(fā)展，以滿足復(fù)雜計算系統(tǒng)日益增長的需求。以下是一些塑造互連技術(shù)未來的關(guān)鍵技術(shù)：
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1. 金屬線：傳統(tǒng)的基于銅的互連仍在嵌入式和移動系統(tǒng)中廣泛使用。然而，隨著晶體管尺寸的減小，這些線路面臨著電阻和電容增加的挑戰(zhàn)，導(dǎo)致延遲和功耗增加。
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5 }/ g2 l) f( a; e# w' E2. 納米光電子技術(shù)：光學(xué)互連提供高帶寬密度和光速傳播。最近的突破，如世界首個由光學(xué)片上網(wǎng)絡(luò)（ONoC）驅(qū)動的多核系統(tǒng)Hummingbird，展示了這項技術(shù)在高性能計算和人工智能應(yīng)用中的潛力。


圖1：Hummingbird的頂視圖和橫截面視圖，展示了光電子和電子芯片在單個封裝中的集成。

3. 無線技術(shù)：無線互連使用射頻信號進行數(shù)據(jù)傳輸，在靈活性和減少布線復(fù)雜性方面具有潛在優(yōu)勢。雖然尚未在工業(yè)中廣泛采用，但研究繼續(xù)探索其潛力，特別是在太赫茲范圍內(nèi)。

, j# q& G4 p+ ]- V) I# F) a+ X4. 2D、2.5D和3D集成：先進的封裝技術(shù)，如chiplet、硅通孔（TSV）和硅中介層，實現(xiàn)了半導(dǎo)體器件更高效的集成。這些技術(shù)解決了傳統(tǒng)2D擴展的限制，為高性能、節(jié)能系統(tǒng)提供了新的可能性。
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: O9 t# W) f! }- t; z: z+ L7 {圖2：通過(a)硅中介層和(b)硅橋互連的兩個芯片的橫截面示意圖，說明了不同的2.5D集成方法。

通用架構(gòu)中的互連
) j5 y! m; m- b7 j5 c6 a- }通用處理器已經(jīng)發(fā)展到包含多核設(shè)計和chiplet架構(gòu)，以提高性能和可擴展性。該領(lǐng)域的主要發(fā)展包括：
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1. 基于網(wǎng)格的互連：在多核系統(tǒng)中很受歡迎，網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)以網(wǎng)格模式連接核心，提供高路徑多樣性和可擴展性。例如英特爾至強處理器和ARM的Neoverse CMN-700。
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2. 基于Chiplet的設(shè)計：AMD的EPYC處理器使用通過AMD Infinity Fabric互連的chiplet，而英特爾采用超路徑互連（UPI）實現(xiàn)可擴展的多處理器系統(tǒng)。

3. 光學(xué)計算互連：英特爾最近的突破，光學(xué)計算互連（OCI），將硅基光電子與先進的CMOS技術(shù)集成，實現(xiàn)了chiplet之間的高帶寬、低延遲通信。


圖3：英特爾OCI的頂視圖和橫截面視圖，展示了光電子和電子組件的集成。
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* ?; g9 g4 S) [3 }緩存一致性互連
在多核系統(tǒng)中維護緩存一致性對于在多個緩存中保持一致的內(nèi)存視圖至關(guān)重要。最近的創(chuàng)新包括：
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1. 無線緩存一致性：WiDir協(xié)議利用無線片上網(wǎng)絡(luò)（WiNoC）技術(shù)增強多核系統(tǒng)中的緩存一致性。
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/ ]# @# G# v$ U) o# h2 d6 X) i* _圖4：WiDir的頂視圖和橫截面視圖，說明了用于緩存一致性的無線天線的集成。
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2. 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：ARM的AMBA一致性集線器接口（CHI）和Arteris的Ncore緩存一致性互連為設(shè)計高效的緩存一致性系統(tǒng)提供了框架。
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  X$ f& d0 r% ^% U1 j2 c安全互連
隨著安全性在現(xiàn)代計算系統(tǒng)中變得越來越關(guān)鍵，互連設(shè)計正在不斷發(fā)展以應(yīng)對各種威脅：

1. 拒絕服務(wù)（DoS）防護：如SECTAR等技術(shù)提出動態(tài)屏蔽方法，在片上網(wǎng)絡(luò)（NoC）環(huán)境中隔離硬件特洛伊木馬并重新路由受影響的數(shù)據(jù)包。

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圖5：SECTAR中攻擊及其對策的示意圖，展示了安全NoC路由的概念。

: z. K8 _/ N* ]6 ^; k+ _" R% T2. 側(cè)信道攻擊緩解：實施側(cè)信道感知加密、安全通信協(xié)議和物理安全措施有助于防止通過互連泄露信息。

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0 l2 z* p! Q- y3 \* M專用架構(gòu)中的互連
為人工智能、機器學(xué)習(xí)和其他專門應(yīng)用量身定制的專用架構(gòu)（DSA）需要創(chuàng)新的互連解決方案：
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7 `$ b4 V) S& V) z# C1. 基于陣列的互連：在深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（DNN）加速器中很常見，這些互連實現(xiàn)了高效的數(shù)據(jù)重用。谷歌的張量處理單元（TPU）使用脈動陣列進行矩陣乘法運算。
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( G" M* k0 X" w1 @5 u8 L% K2. 基于網(wǎng)格的NoC：Cerebras的晶圓級引擎和Eyeriss-v2采用網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)來支持DNN中復(fù)雜的通信模式。

% W& U3 R/ o4 C: N- v. m3. 可重構(gòu)互連：如MAERI等設(shè)計提供了靈活性，以支持DNN工作負(fù)載中的多種數(shù)據(jù)流。
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4. 高帶寬內(nèi)存（HBM）集成：先進的封裝技術(shù)實現(xiàn)了HBM與處理器的集成，顯著提高了內(nèi)存帶寬和能效。

存內(nèi)計算（IMC）互連
+ V* Y( u" @9 l$ l$ ]IMC技術(shù)將處理能力集成到內(nèi)存中，以減少數(shù)據(jù)移動瓶頸：

交叉開關(guān)陣列：用于模擬IMC核心，這些陣列擅長矩陣向量乘法，適用于DNN加速器。

網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)：用于互連多個IMC核心，如Mythic的AMP tile所示。

無線封裝內(nèi)網(wǎng)絡(luò)：最近的研究探索了用于互連IMC核心的無線通信，如WHYPE架構(gòu)所示。
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, a( x, c" i4 @( ~; |! S7 C# }圖6：WHYPE的頂視圖和橫截面視圖，展示了用于互連IMC核心的無線封裝內(nèi)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計。

0 ?. j: _2 }" \! K: ?; j4 ]: d量子計算架構(gòu)中的互連
  L4 x3 X: P  T4 {* |* e; b隨著量子計算的發(fā)展，互連在這些系統(tǒng)的擴展中扮演著關(guān)鍵角色：

: A0 W5 h2 m) H7 \% b2 T1. 低溫射頻互連：對于控制和讀取量子比特狀態(tài)至關(guān)重要，隨著量子比特數(shù)量的增加，這些互連面臨著布線復(fù)雜性和帶寬限制的挑戰(zhàn)。

2. 微波和光子鏈路：用于模塊化多核量子架構(gòu)中的量子核心互連。

3. 無線低溫互連：最近的研究提出將片上低溫天線與射頻收發(fā)器集成，在量子計算封裝內(nèi)創(chuàng)建靈活、可重構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)。

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; h/ \' j4 Z  @+ Q圖7：無線低溫互連在量子計算系統(tǒng)中的愿景，說明了量子處理器封裝內(nèi)無線通信的概念。
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挑戰(zhàn)與機遇
( H5 s4 R& O+ P0 i3 m6 n隨著互連技術(shù)的不斷進步，出現(xiàn)了幾個挑戰(zhàn)和機遇：
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挑戰(zhàn)：
1. 剛性的封裝內(nèi)網(wǎng)絡(luò)（NiP）設(shè)計難以滿足多樣化的chiplet互連需求
* k0 a$ N9 |$ h, b& t2. 異構(gòu)計算系統(tǒng)中的時序和同步問題
3. 各種互連技術(shù)中的安全漏洞
4. 基于網(wǎng)格的互連中的高通信延遲
5. 邊緣設(shè)備的能源和功率限制
6. 基于IMC的加速器的帶寬限制
7. 擴展量子系統(tǒng)的同時保持量子比特相干性并最小化串?dāng)_

' @: j2 s, q0 V/ S: ]" [機遇：
1. 開發(fā)針對特定應(yīng)用需求的專用互連
2. 探索無線封裝內(nèi)網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)靈活、高帶寬通信
3. 先進的網(wǎng)絡(luò)接口，集成協(xié)議適應(yīng)性和服務(wù)質(zhì)量功能
+ W/ z5 z7 N4 }* q" D7 k; e/ V4. 用于安全互連的輕量級加密和身份驗證協(xié)議
* A5 m0 n/ T4 p; @% Z5 Q3 C- s5. 可重構(gòu)互連，支持多樣化數(shù)據(jù)流和改善資源利用率
) F/ f& l2 ?7 `: O' c$ N. S6. 近似計算技術(shù)，提高性能和能效
7. 利用光電子技術(shù)和無線技術(shù)的創(chuàng)新量子互連
' X" X! P7 g+ e! c8. 量子硬件-軟件協(xié)同設(shè)計方法，優(yōu)化系統(tǒng)性能

結(jié)論
芯片和封裝級互連領(lǐng)域正在快速發(fā)展，以滿足現(xiàn)代計算系統(tǒng)的需求。從通用處理器到專用加速器和量子計算機，互連技術(shù)正在推動性能、效率和可擴展性的邊界。隨著研究人員和工程師在這一領(lǐng)域不斷創(chuàng)新，可以期待看到更多突破性的發(fā)展，塑造計算機架構(gòu)的未來。

, X# u- U: f$ W參考文獻
, t) M: Z6 |" \, y9 {% |5 [[1] Das, M. Palesi, J. Kim and P. P. Pande, "Chip and Package-Scale Interconnects for General-Purpose, Domain-Specific, and Quantum Computing Systems—Overview, Challenges, and Opportunities," in IEEE Journal on Emerging and Selected Topics in Circuits and Systems, vol. 14, no. 3, pp. 354-370, September 2024.
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