用AI设计AI芯片!台积电秀新策略:Chiplet封装+AI优化电路,推动AI计算芯片能效涨10倍
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2025-09-28 14:04:32
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芯东西(公众号:aichip001)

编译 | 许丙南

编辑 | 程茜

智东西9月28日消息,9月24日,台积电在硅谷圣克拉拉,集中展示了“用AI设计AI芯片”的全新设计策略,其在芯片工艺、封装和设计流程多维创新下,目标是将AI计算芯片的能效提升约10倍。

据台积电介绍,这一代新型芯片设计采用多晶粒(Chiplet)封装架构,并通过AI算法优化电路布局等方法,大幅减少AI芯片的单位功耗。值得一提的是,EDA软件厂商Cadence、新思科技等也在论坛上推出了最新的AI设计工具。根据路透社报道,这些工具在部分复杂设计任务中的表现已优于人工工程师。

▲先进的3D封装技术

一、通信能效提高10倍,光互连提上日程

台积电资深研发副总裁刘立成博士(Dr. LC Liu)透露,由于AI技术的广泛应用,计算芯片功耗正在指数级攀升。刘立成强调,AI的蓬勃发展使芯片功耗面临严峻挑战。如今AI计算从超大规模数据中心延伸到边缘设备,催生了具身AI、链式推理、Agent代理等新产品,但这些产品需要处理更庞大的数据集、进行更复杂的计算并长时间运行。

他指出,过去五年间AI加速器单颗芯片的封装功耗提高了3倍,部署规模在三年内增长了8倍。以数据中心为例,单机AI训练服务器功率动辄上千瓦,在同等负载下相当于千户家庭的用电量。因此,如果无法显著提升能效,AI算力的可持续发展将难以为继。

▲在等功耗下速度从N7到A14提升约1.8倍,功率效率改善约4.2倍

为了应对这一趋势,台积电提出通过先进工艺、封装架构和AI设计的全方位创新来缓解功耗瓶颈。据刘立成介绍,台积电正从逻辑工艺和3D封装两方面同时发力,并联合生态伙伴优化设计方法学,力求将每瓦性能大幅提升。该策略包括进一步缩小制程节点、引入新型背面供电等晶体管技术,以及在封装层面采用Chiplet小晶粒和垂直3D集成,减少数据传输损耗和功耗开销。刘立成指出,只有同时在工艺、封装和设计生态上取得突破,才能满足AI时代急剧膨胀的算力需求。

在封装与互连方面,台积电聚焦3D芯粒集成和高速通信技术,以打破传统单芯片的尺寸和I/O瓶颈。台积电3DFabric包括SoIC(硅晶圆直接键合)、InFO和CoWoS(有机基板2.5D)以及SoW(硅晶圆级大规模封装)等多项方案,覆盖从移动端到超大规模AI系统的不同需求。

台积电有关人员此前在技术研讨会披露,基于台积电N12工艺逻辑基底的HBM4高带宽存储方案,将比当前HBM3e显著提升1.5倍。若采用台积电N3P定制逻辑底板,可将HBM I/O电压从1.1伏降至0.75伏,进一步节省内存访问功耗。

▲HBM4的带宽与能效表现

在计算芯片与存储的互连上,台积电持续缩小晶片间互连间距,其先进CoWoS封装将微凸块间距从45µm缩小到25µm,使2.5D封装的能效相较前代提升1.6倍。而采用垂直堆叠的3D SoIC技术,由于省去了有机中介层,能效相比2.5D方案大幅提高6.7倍(但受限于工艺,目前3D封装单一基底规模约为1倍光罩面积,相比2.5D CoWoS最高9.5倍光罩的整合面积略受限制)。

针对多芯粒系统的高速互连,台积电联合生态伙伴提供符合UCIe标准的Die-to-Die接口IP(如Alphawave、新思科技等),确保不同芯粒间的数据传输高效且兼容。值得关注的是,光互连技术也被提上日程:通过硅光子实现的共封装光学(Co-Packaged Optics),有望让芯片间通信能效提高5-10倍,延迟降低10-20倍,并显著缩小系统尺寸。台积电指出,这将是突破传统电气互连物理极限的关键方向。

▲引入光学技术势在必行

Meta平台基础架构工程师考什克·维拉拉加文(Kaushik Veeraraghavan)在论坛演讲中也佐证了这一观点,称当前电子互连已逼近极限,引入光学技术势在必行,“这已不单是工程问题,更是基础物理瓶颈”。此外,台积电联合新思科技和ANSYS采用AI协同优化光学封装设计,又进一步提升了1.2倍的效率。

为了支撑高功率芯片,台积电还开发了超高性能金属-绝缘体-金属电容(UHPMIM)结合嵌入式深沟电容(EDTC)的解决方案,使电源系统单位面积去耦电容增加1.5倍且无信号完整性损失。同时,台积电引入EDA-AI自动化工具,将这种深沟电容的版图插入效率提高10倍,封装基板布线效率提升100倍。通过上述封装和互连创新,台积电的能效提升不再仅依赖摩尔定律的晶体管缩放,而是通过封装与系统层面的集成实现数量级的进步。

二、5分钟完成2天设计流程,AI能找到比人更优的解决方案

台积电宣布与生态伙伴在EDA软件上深度合作,利用AI算法来优化芯片设计流程,从而充分挖掘先进工艺和封装的潜力。

▲技术路线图

据路透社消息,Cadence Design Systems与新思科技两大EDA厂商同步推出了AI驱动的设计工具。这些工具与台积电的工艺平台进行了深度对接,特别是针对A16(下一代约1.6纳米制程技术节点)、N2P(2纳米制程的增强版)、N3(3纳米制程技术节点)等先进节点和3D-IC(三维集成电路技术,将多层芯片堆叠封装)技术的AI设计认证流程。

实测结果显示,在某些复杂芯片设计任务中,AI工具能够找到比人工更优的解决方案,并将设计优化时间从工程师的两天缩短到几分钟。台积电3D IC方法学部门副处长Jim Chang在演讲中分享了内部实验数据“AI工具仅需5分钟即可完成工程师需要2天才能完成的优化工作”。Cadence称,基于台积电先进封装技术的HBM4测试芯片已完成设计验证,即将流片,为下一代大算力芯片的CoWoS-L封装打下基础。

芯片IP供应商Rambus与Cadence指出,在边缘计算和高级辅助驾驶(ADAS)场景下,GDDR6显存以超过20Gbps带宽提供了高性价比的方案,新一代GDDR7传输速度可达36Gbps/pin,将满足未来更高带宽需求。

结语:AI需求井喷,倒逼芯片设计行业创新

随着AI应用规模的快速扩展,从数据中心到边缘设备,全球算力需求呈指数级增长,带动芯片功耗同步攀升。在摩尔定律逐步放缓的当下,单纯依赖晶体管尺寸缩减已难以支撑AI对性能与能效双重要求。

在这一背景下,能效革新愈发重要。值得注意的是,AI本身不仅是算力消耗的主因,更正逐步转化为芯片设计领域的提效者。从协助工程师完成复杂电路优化,到参与能效建模、功耗预测,AI正深度嵌入EDA工具链、封装架构规划及能源调度等多个环节。

来源:路透社、台积电、Cadence、Rambus

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