从片上系统(SoC)到立方体集成电路(CIC)

芯片的设计概念从SoC到SoIC再到CIC，本文介绍了这三者的区别。  

SoC（System on Chip）片上系统，SoIC（System on Integrated Chip）集成片上系统，CIC（Cubic Integrated Circuit）立方体集成电路，三者有什么异同，今天，我们将其放在一起进行比较解读。  

 SoC 

SoC是System on Chip的缩写，中文称“片上系统”，是由多个具有特定功能的集成电路组合在一个硅片上形成的系统或产品，其中包含完整的硬件系统及其承载的嵌入式软件。   在SoC上，集成了处理器（包括CPU、DSP）、存储器、各种接口控制模块、各种互联总线等。下图所示为麒麟980 SoC的版图。  

  SoC实现了在单个芯片上，就能完成一个电子系统的功能，而这个系统在SoC出现以前往往需要一个或多个电路板，以及板上的各种电子器件、芯片和互连线共同配合来实现。   SoC在单芯片实现了功能的高度集成，其功能密度比传统的板级系统有了巨大的提升。  

 SoIC 

SoIC（System on Integrated Chips）集成片上系统，是台积电最新的先进封装技术。该技术最鲜明的特点是没有凸点（no-Bump）的键合结构，因此具有有更高的集成密度和更佳的性能。   SoIC是将多个芯片采用混合键合的方式组装到一起，体积和性能上达到了单颗SoC同等的指标。   对比下图的SoC和SoIC，我们可以看出，SoIC相对SoC至少有两个优势，1）异构集成，2）更高的功能密度。  

  SoIC-1，SoIC-2，SoIC-3可以采用不同的工艺节点生产，然后通过混合键合组装，支持异构集成，因此具有更高的灵活性。此外，SoIC具备更多的晶体管层，图中，我用高亮标识出了晶体管层，可以看出，SoC具有一个晶体管层，而SoIC具有两个晶体管层，在同样的工艺条件下，SoIC相比同体积SoC的具有两倍的晶体管数量，因此其功能密度也为SoC的两倍。随着堆叠层数的增多，这种优势会更加明显。  

 CIC 

CIC（Cubic integrated Circuit）立方体集成电路，是我在2021年8月7日的一篇文章《集成电路设计的“新思路”》中提出的概念，旨在以立方体的思路去设计芯片。   在这里，我想强调一下，CIC从芯片开始规划和设计阶段，就以立方体的思路来进行，如下图所示，一个SoC在一开始就被规划成4层或者更多层来设计，需要EDA厂商在软件研发上给予足够的功能支持才可以实现。  

  在实际应用中，CIC可能是10层、20层、50层、100层、500层或者更多。从信号最快到达和能量最节省的角度，正立方体是最佳的芯片形态，这就是CIC名称的由来。   以现有的7nm工艺，在指甲盖大小的芯片上可以集成100亿以上的晶体管。如果以CIC的模式来设计，在指尖大小的1立方厘米内可集成的晶体管数量为2.5万亿~5万亿，即100亿的250倍~500倍。   如果CIC可以实现的话，如今全球最大的芯片，如餐盘大小的WSE二代晶体管的数量是2.6万亿，如果按照CIC的设计思路，完全可以在指尖大小的1立方厘米实现了。  

  这绝对是一个质的飞跃，然而，CIC的设计与制造，必将是一个非常难以实现的目标。   如果要在竞争中胜出，就必须克服各种困难，朝着既定目标努力奋斗！这就是目标的力量。有的人因为看见而相信，有的人因为相信而看见。  

 回顾和展望 

SoC技术始于20世纪90年代中期，是集成电路(IC)向集成系统(IS)转变的大方向下产生的，是集成电路技术发展到一定程度的必然产物。摩托罗拉于1994发布的FlexCore据称是最早通过SoC技术实现的产品。   SoIC技术由台积电在2018年正式提出，该技术将多个独立的小芯片通过3D制造技术集成到整合的SoC系统中，具有更高的功能密度、更低的通信延迟以及更低的单位能量消耗。目前，SoIC技术已经可以堆叠到12层。   CIC概念于2021年8月提出，目前还只是一种芯片技术发展的预期，未来或将有巨大而快速的发展。   在现有的芯片技术中，晶体管是记录信息的基本单位，也是功能的基本单位，在系统空间内，晶体管的密度也代表着功能密度。无论是SoC，SoIC还是CIC，其实现的主要目的就是提高系统空间内的功能密度，并降低单位信息传递的能量消耗。