随着半导体行业接近摩尔定律的物理极限，传统单一芯片集成方式面临功耗、性能和成本的瓶颈。为解决这些挑战，Chiplet（芯粒）技术应运而生，成为异构集成的重要方向。Chiplet通过将功能模块化的芯片设计分拆为多个小芯片，利用先进封装技术实现高性能互连，从而提升系统灵活性和资源利用率。
Chiplet技术不仅能降低高性能芯片的研发成本，还能通过复用标准化模块缩短设计周期，适应不同应用场景的需求。此外，Chiplet在提升高带宽、低延迟性能的同时，显著降低了功耗，是推动数据中心、人工智能、5G等高性能计算领域发展的关键。
当前，包括UCIe、AIB和BoW在内的多种互连协议，为Chiplet互连和生态提供了可靠支持。随着先进封装技术如3D集成和2.5D封装的成熟，Chiplet正引领半导体行业从单片集成向模块化、多功能异构集成转型。
既然是不同模块或者是异构的集成，那么Chiplet技术的核心在于实现不同模块之间的高效互连。当前主流的Chiplet互连总线可以分为几大类别，如UCIe、BoW、AIB、CXL等，还有一些专有的互连总线。每种总线协议根据具体应用和性能需求有所侧重。
本文就给大家简要介绍下。
1. UCIe (Universal Chiplet Interconnect Express)
背景：由Intel、AMD、TSMC等行业领导者提出，是Chiplet互连的开放标准。
特点：
o面向通用用途，适用于高性能计算（HPC）、AI加速器等广泛应用。
o支持PCIe、CXL等协议的扩展。
o提供封装级低延迟互连，通过 Die-to-Die (D2D) 链接实现更高带宽和低功耗。
优势：高兼容性、标准化、支持多个封装工艺。
典型应用：CPU-GPU互连、内存与计算芯片的接口。
2. BoW (Bunch of Wires)
背景：由OCP（Open Compute Project）提出，专注于高效低成本的Chiplet互连。
特点：
o面向宽带宽、低延迟的互连需求。
o占用更少的功耗预算，适合需要极高性价比的芯片集成。
o提供物理层实现的灵活性（支持更广泛的封装技术）。
优势：简单、高效，适合经济型应用。
典型应用：数据中心中的加速器芯片、嵌入式系统。
3. AIB的背景与定义
背景：AIB (Advanced Interface Bus) 是由英特尔推出的一种用于芯片模块（Chiplet）间互连的开放式接口协议，是一种短距离、宽接口的互连协议，用于芯片之间的数据传输，优化了带宽和功耗的平衡，特别设计用于高速且低延迟的 Die-to-Die (D2D) 互连。
特点：
o高带宽：支持大规模的并行数据传输。单通道数据速率较低，但通过宽总线设计实现了高总带宽。
o低延迟：通过将互连距离控制在封装范围内（如 2.5D Interposer 或 EMIB 封装），大幅减少信号传播延迟。
o开放性：AIB协议是开放式的，支持不同供应商的模块间协作，提高生态系统的兼容性。
o低功耗：通过近距离互连设计降低了信号驱动功耗。
o模块化设计：支持多个Chiplet的模块化组合，使得SoC设计更加灵活。常与Intel的 EMIB（Embedded Multi-die Interconnect Bridge） 技术配合使用。
优势：低功耗、高带宽、开放性好。
典型应用：HPC、加速器芯片、ASIC与FPGA集成、网络处理器。
4. CXL (Compute Express Link)
背景：以PCIe为基础扩展的高速互连协议。
特点：
o支持Chiplet间的高带宽互连。
o支持内存共享和缓存一致性（支持大规模并行计算）。
o可作为UCIe标准协议的一部分实现。
优势：对于需要多级存储系统的应用具有强大优势。
典型应用：内存扩展芯片、数据中心计算单元。
5. HBM (High Bandwidth Memory) 接口协议
背景：随着现代计算领域中高性能需求的持续增长，传统的内存技术逐渐面临带宽和功耗方面的瓶颈，尤其是在以下场景中挑战尤为突出。为了应对这些挑战，HBM技术应运而生，由JEDEC提出并发展，旨在提供高带宽、低延迟和高能效的存储解决方案。其核心思想是通过3D堆叠和Interposer实现芯片间的紧密连接，从而显著提升数据吞吐能力。
特点：
o直接通过垂直TSV连接处理器和高带宽存储器。
o提供极高的带宽和低延迟，适合数据密集型应用。
优势：带宽大，功耗低。
典型应用：AI加速器、GPU与HBM内存的互连。
6. PCIe (Peripheral Component Interconnect Express)
背景：Chiplet还有一种通用互连方式就是PCIe，这在早期广泛使用，由于PCIe的一些固有的问题，比如延迟较大，所以后来就被UCIe取代了。
特点：
o支持较长距离和多模块互连。
o延迟相对较高，不如UCIe等新标准高效。
优势：通用性强，生态成熟。
典型应用：服务器、多芯片的互联。
7. Proprietary Protocols (专有协议)
一些公司为满足特定需求开发了一些定制的互连协议，但是专有协议相对来讲都是比较封闭的，有的时候很能形成一个好的生态。
AMD Infinity Fabric：
o用于AMD的CPU、GPU之间的高效互连。
o支持芯片模块化扩展，功耗优化良好。
Intel EMIB (Embedded Multi-die Interconnect Bridge)：
oIntel专有的封装互连技术，提供高密度、短延迟连接。
NVIDIA NVLink：
o专注于GPU之间或GPU与CPU之间的高带宽互连。
以下是对 UCIe, AIB, BoW, CXL, 和 PCIe 的主要特性和应用场景的对比：
协议 | 全称 | 主要特点 | 应用场景 | 带宽性能 | 互操作性 | 功耗 |
UCIe | Universal Chiplet Interconnect Express | 开放标准，支持高效、低延迟互连，针对异构封装优化；支持封装内互连和扩展外部标准（如PCIe、CXL）。 | Chiplet生态中的互连标准，适用于高带宽、低功耗的异构集成封装场景。 | 高达 1 TB/s（封装内） | 高互操作性 | 极低功耗，适合封装内通信。 |
AIB | Advanced Interface Bus | Intel推出，采用单向信号通道，简单易用；设计灵活但生态圈相对封闭。 | Intel FPGA芯片间互连，特定ASIC和FPGA应用。 | 数百Gbps | 受限于Intel生态，互操作性一般。 | 较低功耗，优化为高密度应用。 |
BoW | Bunch of Wires | 短距离、高能效；关注简单的并行总线设计；宽度可扩展性高，但长距离性能有限。 | 面向低延迟、高能效需求的近距离Chiplet互连场景。 | 中等（较宽总线实现高带宽） | 灵活但缺乏大规模应用的标准化。 | 非常低功耗，适合封装内应用。 |
CXL | Compute Express Link | PCIe扩展协议，专注于共享内存和低延迟互连；支持缓存一致性和内存访问。 | CPU/GPU/加速器与内存之间的互连；数据中心级的高速互连需求。 | PCIe速率级别（当前CXL 2.0支持高达 32 GT/s） | 高，依赖PCIe标准。 | 较高，主要针对外部设备互连。 |
PCIe | Peripheral Component Interconnect Express | 通用性极强，适用于设备连接和扩展，标准化程度高；支持多种传输速率和拓扑结构。 | 通用互连，设备和平台扩展接口，如存储、GPU、加速器等。 | 单通道PCIe 6.0支持 64 GT/s | 极高 | 较高，适合长距离通信。 |
Chiplet的信号完整性挑战与仿真
以UCIe为例，信号速率非常高，单通道的传输速率最高可达32Gbps；在单位面积上的信号网络特别多；误码率也要求非常严苛，等等。
所以，当通过先进的封装方式实现多个芯片模块的高效互时，就会带来明显的信号完整性挑战，包括串扰和损耗、Skew、寄生效应、电源完整性和、热-电耦合以及严苛的误码率问题。
如何进行Chiplet的信号完整性仿真，也有非常大的挑战。Chiplet高速信号完整性仿真兼具了SerDes和DDR总线的仿真特点，比如信号速率高、误码率要求严苛（有的需要1e-27）、信号线多、单端信号线传输、需要单端的IBIS-AMI模型、需要仿真VTF等等。
当前，我们主要采用的是ADS Chiplet PHY Designer和EMPro进行Chiplet的信号完整性仿真。通过ADS或者EMPro提取封装的S参数。
根据封装类型、协议类型等要求，在ADS中建立仿真拓扑结构，如下图所示：
可以仿真获得眼图、误码率以及VTF等指标结果，如下所示为眼图结果：
如下图所示为VTF结果：
总之，随着UCIe正成为行业主流，但是为特定性能需求（如低功耗或高性价比）而设计的专有协议（如BoW或HMB）也仍有市场。长期来看，UCIe有望整合其他协议（如CXL）形成更广泛的生态。通过选择合适的互连协议，可以根据Chiplet的具体应用场景实现带宽、延迟、功耗之间的最佳平衡。
封装内互连：UCIe 和 BoW 更加适合，其中 UCIe 支持多协议扩展，是未来的开放标准；BoW则偏向高能效、简单实现的应用。
芯片间互连：AIB 提供了一种更定制化的方式，但受限于Intel生态；CXL 和 PCIe 则提供了长距离通信的强大功能，其中 CXL 增强了缓存一致性能力。
生态兼容性：UCIe 和 PCIe/CXL 在开放性和标准化支持上表现优异，推动了更广泛的应用。
不论是哪一种互连总线协议，信号完整性的设计和仿真也会遇到越来越多的挑战。
文章来源于信号完整性，作者蒋修国
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