自大数据问世以来，用于超大规模数据中心、人工智能（AI）和网络应用的片上系统（SoC）设计人员正面临着不断演进的挑战。由于工作量的需求以及需要更快地移动数据，具有先进功能的此类SoC变得益发复杂，且达到了最大掩模版（reticle）尺寸。本文介绍了die-to-die连接的几种不同用例，以及在寻找用于die-to-die链接的高速PHY IP时要考虑的基本注意事项。
自大数据问世以来，用于超大规模数据中心、人工智能（AI）和网络应用的片上系统（SoC）设计人员正面临着不断演进的挑战。由于工作量的需求以及需要更快地移动数据，具有先进功能的此类SoC变得益发复杂，且达到了最大掩模版（reticle）尺寸。因此，设计人员将SoC划分为多芯片模块（MCM）封装的较小模块。这些分离的芯片需要超短（ultra-short）和极短（extra-short）距离链接，以实现具有高数据速率的die间连接。除带宽外，裸片到裸片（die-to-die）的连接还必须确保是极低延迟和极低功耗的可靠链接。本文介绍了die-to-die连接的几种不同用例，以及在寻找用于die-to-die链接的高速PHY IP时要考虑的基本注意事项。
Die-to-die连接用例
MCM中die-to-die连接的新用例正在出现，其中一些包括：
1.高性能计算和服务器SoC接近最大掩模版尺寸
2. 以太网交换机和网络SoC超过最大掩模版尺寸
3.可扩展复杂算法的具有分布式SRAM的人工智能（AI）SoC
高性能计算和服务器SoC的面积正变得越来越大，达到550 mm2至800 mm2，从而降低了SoC的良率并增加了每个Die的成本。优化SoC良率的更好方法是将SoC分为两个或多个相等的同质die（如图1所示），并使用 die间PHY IP连接 die。在这种用例中，关键的要求是极低延迟和零误码率，因为更小的多个 die的表述和表现必须像单一die一样。
图1：需要die-to-die连接的高性能计算和服务器SoC示例
以太网交换机SoC是数据中心的核心，必须以快于12Tbps到25Tbps的速率传送数据，这需要256个通道的100G SerDes接口，因此无法将这种SoC装入800 mm2大小的掩模版。为克服这一挑战，设计人员将SoC拆分为这样一种配置：其中，内核die被I/O die包围，如图2所示。然后，使用Die-to-die收发器将内核die连接到I/O die。
在这种用例中，仅当die-to-die收发器的带宽密度远优于I/O die中的长距离SerDes时， die拆分才有效用。因此，关键参数是每毫米的die边缘（die-edge）带宽密度。
图2：需要die-to-die连接的以太网交换机SoC示例
在一款AI SoC中，每个die都包含智能处理单元（IPU）和位于每个IPU附近的分布式SRAM。在这种用例下，一个die中的IPU可能需要依赖于极低延迟的短距离die-to-die链接来访问另一die中SRAM内的数据。
图3：需要die-to-die连接的AI SoC示例
在所有这些用例中，用于die-to-die连接的理想高速PHY可以简化MCM封装要求。由于每个通道的吞吐量高达112 Gbps，因此在通道数量相对有限的情况下可实现非常高的总吞吐量。在这种情况下，封装走线间距和堆叠可能比较保守（L /S通常为10u /10u）。在这些用例中，也可以使用传统、低成本、基于有机基材料的封装。
Die-to-die连接的高速PHY IP要求
光互联论坛（OIF）正在定义电气I/O标准，以在超短距离（USR）和极短距离（XSR）链路上以高达112Gbps的数据速率传输数据。这些规范定义了die-to-die的链接（即：封装内）以及die-to-die到与该SoC位于同一封装内的光学引擎的链接，从而显着降低了功耗和复杂性，并实现了极高的吞吐量密度。
在研究用于MCM中的die-to-die连接的高速PHY IP方案时，SoC设计人员必须考虑几个基本功能，包括：以千兆位或兆兆位每秒（Gbps或Tbps）度量的数据吞吐量或带宽；以每比特皮焦耳（pJ/bit）为单位检视的能源效率；以纳秒（ns）为单位测量的延迟；以毫米（mm）为单位表度的最远链接距离；以及误码率（无单位）。
数据吞吐量或带宽
为了实现与其它收发器的互操作性， die-to-die PHY IP必须确保符合USR和XSR链路的相关OIF电气规范。支持脉冲幅度调制（PAM-4）和不归零（NRZ）信令对于满足两种链路的要求并实现每通道最大112Gbps带宽至关重要。这种信令支持非常高的带宽效率，因为在MCM中的die之间传输的数据量非常大，因此带宽效率是至关重要的要求。数据移动速率通常在每秒兆兆位水平，这就限制了分配给USR和XSR链路的芯片边缘（前端/ beach front）的大小。
但是，同样重要的是支持多种数据速率。通常，期望在假设其数据速率与内部建构数据速率相匹适或支持chip-tp-chip协议所需的所有数据速率的条件下，实现die-to-die的链接。例如，即使在诸如32Gbps这样的高速下，PCI Express也必须支持低至2.5Gbps的数据速率以进行协议初始化。
链接距离
在die-to-die的实现中，大量数据必须流经桥接die间间隙的短数据路径。为保证将die放置在封装基板上时的最大灵活性，PHY IP必须支持TX和RX之间50mm的最长距离。
能效
能效成为重要的因素，尤其是在将SoC功能划分为多个同质die的用例中。在这种情况下，设计人员寻求在不影响SoC总功耗预算的情况下在die之间推送大量数据的方法。理想的die-to-die PHY IP的能效应好于每比特1皮焦耳（1pJ/bit）或等效的1mW/Gbps。
延迟和误码率
为了使die之间的连接“透明”，延迟必须极其低，同时必须优化误码率（BER）。由于采用了简化的架构， die-to-die PHY IP本身可实现超低延迟，而BER优于10e-15。根据链路距离，可能需采用前向纠错（FEC）机制保护互连，以实现如此低的BER。 FEC延迟会影响方案的整体延迟。
Macro 摆放
除了这些与性能相关的参数外，PHY IP还必须支持在die所有位向的放置，以实现die以及MCM的高效平面规划。宏（macro）的优化布局可实现低耦合的高效die间布线、优化的die和MCM大小、并最终提高能效。
选择die-to-die的PHY IP时，还有许多其它考虑因素，包括整合进可测试性功能，以便能够在封装之前对die进行生产测试，但前述几点是最重要的。
结论
更高的数据速率和更复杂的功能正在增加用于超大规模数据中心、AI和网络应用的SoC的大小。随着SoC尺寸接近掩模版尺寸，设计人员被迫将SoC分成较小的die，这些die封装在多芯片模块（MCM）中，以实现高良率并降低总体成本。然后，MCM中的较小die通过die-to-die互连进行链接，这些互连具有极低功耗和 而且每个die边缘都具有高带宽。在高性能计算和AI应用中，大的SoC被分为两或多个同质die；在网络应用中，I/O和互连内核被分为单独的die。这种SoC中， die-to-die的互连必须不影响整体系统性能，并且要求低延迟、低功耗和高吞吐量。这些要求推动了对诸如Synopsys的DesignWare®USR/XSR PHY IP这样的高吞吐量die-to-die PHY的需求，该IP支持MCM设计中的die-to-die链接，每通道的数据速率高达112Gbps，且能效极高。DesignWare USR/XSR PHY IP符合用于USR和XSR链接的OIF CEI-112G和CEI-56G标准。
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作者：Manuel Mota，Synopsys高级产品市场经理
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