高速互联系列之四：D2D互联，Chiplet时代前景广阔

证券研究报告|行业点评报告 2024年05月19日 高速互联系列之四：D2D互联，Chiplet时代前景广阔 评级及分析师信息 行业评级：推荐行业走势图 27%18% 8% -1% -10%-20% 2023/052023/082023/112024/022024/05 通信沪深300 分析师：马军邮箱：majun@hx168.com.cnSACNO：51120523090003联系电话：分析师：宋辉邮箱：songhui@hx168.com.cnSACNO：S1120519080003联系电话：分析师：柳珏廷邮箱：liujt@hx168.com.cnSACNO：S1120520040002联系电话： 通信行业 1、后摩尔时代，D2D成为Chiplet发展的战略核心 DietoDie（D2D）互联技术是随着半导体行业对高性能计算需求的增长以及摩尔定律放缓而逐渐兴起的一种先进互联技术。随着芯片尺寸增大至接近制造极限，D2D互联允许将大芯片分割成多个较小的Die，在多芯片模块中实现高速互连。 1.1技术原理 D2D接口IP设计是实现高效互连的核心，由物理层(PHY)和控制器组成。物理层负责封装介质间的信号传输，控制器部分则包括链路层和逻辑物理层，负责协议接口适配、仲裁和协商，以及链路训练和管理功能。 D2DPHY架构根据传输方式的不同，分为并行和串行两种。封装设计是D2D解决方案的重要组成部分，D2D测试方案是确保接口IP性能的关键环节。 1.2互联接口：UCIE有望统一D2D的接口标准。 1.3D2D优劣势分析 优势在于实现性能提升和成本效益，同时具有设计灵活性，有助于减少功耗，提升制造良率；劣势在于面临设计复杂性增加、信号完整性挑战、散热挑战以及标准化程度不足的问题。2、D2D与相关技术的对比 2.1C2C互联与D2D互联对比 在应用场景上，封装级别与传输空间各不相同。C2C互联：在不同芯片之间的数据传输，可能位于不同封装实体中，适用于需要在不同芯片或模块间进行数据传输的场景，如服务器节点间的连接、多板卡系统或者大型电子设备中的芯片间通信。D2D互联：专注于在同一个封装体内，不同芯片裸片（Die）之间的数据传输。适用于高性能计算（HPC）、人工智能（AI）和网络应用。 在技术实现上，通用兼容和复杂高性能各具特色。C2C互联：可能涉及到较长的互连路径和使用标准的接口技术，如PCIe或以太网，这些技术在设计上更注重通用性和兼容性。D2D互联：则利用更短的互连路径和更高速的SerDes或并行接口技术，以实现更低的延迟和更高的带宽。通常需要更复杂的设计和优化，以适应封装内紧凑的空间和热管理要求。 2.2在带宽、延迟和能效方面，D2D相比于PCIe等传统C2C互联技术优势显著 3、Chiplet时代来临，应用前景广阔，龙头厂商加速布局，D2D生态蓬勃发展 3.1高带宽、低延迟，DietoDie应用场景广阔 请仔细阅读在本报告尾部的重要法律声明 应用场景：高性能计算（HPC）、人工智能（AI）和机器学习 （ML）、数据中心、汽车和自动驾驶、图形处理单元（GPU）。 3.2Chiplet快速增长，相关厂商加速布局D2D NVIDIA：DGX系列AI系统结合了多个高性能GPU，通过NVLink技术实现紧密集成，提供了强大的计算平台；并探索如何将这些技术应用于CPU和AI加速器，以实现更广泛的应用场景。AMD：AMD利用InfinityFabric技术实现了其EPYC服务器处理器的多芯片模块设计，以及RyzenThreadripper处理器的多核心配置；还在探索3D堆叠和HBM内存等先进封装技术。英特尔：英特尔在D2D互联技术方面的策略主要在其对UCIe联盟的领导和推动。其Foveros3D芯片堆叠技术可在单个封装内堆叠不同的芯片层，实现更小的尺寸和更高的能效比。 4、投资机会逻辑 接口IP市场逐渐成为驱动AI技术高速发展的关键驱动力。大模型和AIGC推动HPC、异构计算等市场的爆发，对于不同芯片间的IO吞吐的要求也会提高，催生了D2D、C2C等高速互联接口IP的市场需求高速发展。 互联方面，多颗算力芯片通过D2DIP互联，形成Chiplet系统，UCie接口预计将成为主流选择，Ucie正成为小芯片互联的开放标准，定义2.5D或3D封装内芯片之间的互联。 提供D2D互连的EDA和IP供应商，如Synopsys、Cadence、Alphawave（芯原股份合作）、芯耀辉科技、奎芯科技、乾瞻科技、牛芯半导体、创意电子，和车规级互联IP芯砺智能等，此外北极雄芯发布首款基于Chiplet架构的启明930芯片。此外随着D2D互连设计的复杂性增加，电子设计自动化 （EDA）工具的需求也将增长，为相关软件供应商提供市场机会。 5、风险提示 标准化发展不确定风险；技术创新不及预期风险；市场竞争加剧风险。 1.后摩尔时代，D2D成为Chiplet发展的战略核心 DietoDie（D2D）互联技术是随着半导体行业对高性能计算需求的增长以及摩尔定律放缓而逐渐兴起的一种先进互联技术。随着芯片尺寸增大至接近制造极限，D2D互联允许将大芯片分割成多个较小的Die，在多芯片模块（MCM）中实现高速互连，从而实现算力堆叠或异构集成，提升计算密度和能效比。 1.1.技术原理 D2D接口IP设计是实现高效互连的核心，由物理层(PHY)和控制器组成。物理层负责封装介质间的信号传输，包括模拟PHY和数字PHY，其中模拟PHY包括电气AFE （发射器、接收器）和边带信道，而数字PHY则包含链路初始化、训练和校准算法。 控制器部分则包括链路层和逻辑物理层，链路层负责协议接口适配、仲裁和协商，以及确保链路可靠传输的数据机制；逻辑物理层则负责链路训练和管理功能。 D2DPHY架构根据传输方式的不同，分为并行和串行两种。并行D2DPHY采用单端传输，适合低延迟和高能效的应用场景，使用2.5D封装形式。串行D2DPHY则采用差分传输，适合高带宽和长距离传输，使用2D封装形式。 封装设计是D2D解决方案的重要组成部分，需综合考虑IO数量、IO密度、数据率、成本、复杂度和接口类型等因素，以选择最适合的封装类型。 D2D测试方案是确保接口IP性能的关键环节，设计时需考虑全面的环回测试路径，以确保数据链路的完整性和可靠性。 图1D2D分层架构图2D2D封装类型选择 资料来源：芯耀辉，华西证券研究所资料来源：芯耀辉，华西证券研究所 1.2.互联接口 目前D2D有并行和串行两种互联方案，业界巨头各有各的互联接口。为了便于组装不同供应商开发的芯粒，需要对互连标准进行标准化。自2022年UniversalChipletInterconnectExpressUCIE的出现【Intel、AMD、ARM、高通、三星、台积电、日月光、GoogleCloud、Meta和微软等公司联合推出的Die-to-Die互连标准】，有望统一D2D的接口标准。 图3UCIe1.0发展动机与特性图4主流D2D协议关键参数对比 资料来源：芯智讯，UCIe官网，华西证券研究所资料来源：芯耀辉，华西证券研究所 1.3.D2D优劣势分析 优势：D2D互联技术通过集成多个芯片裸片，实现性能提升和成本效益，其设计灵活性允许根据特定应用需求定制芯片组合，有助于减少功耗；此外通过分割为小芯片，可以提升制造良率。 劣势：D2D技术也面临设计复杂性增加、信号完整性挑战、散热难度提升以及标准化程度不足的问题。多Die之间的通信和协同工作增加了设计的复杂性，并加剧了散热问题，而互连密度的提高可能导致信号完整性和电磁兼容性问题。D2D技术的标准化仍在发展中，这可能影响产品的兼容性和市场接受度。 2.D2D与相关技术的对比 D2D与C2C等技术作为当前高性能计算领域中重要的互连技术，在技术原理和应用定位各有特色。 2.1.C2C互联与D2D互联对比 C2C（Chip-to-Chip）互联和D2D（Die-to-Die）互联是两种不同的半导体封装技术，在应用场景和技术实现上各存异同。 在应用场景上，封装级别与传输空间各不相同。 C2C互联：通常指的是在不同芯片之间的数据传输，这些芯片可能位于不同的封装实体中，如在多芯片模块（MCM）中，适用于需要在不同芯片或模块间进行数据传输的场景，如服务器节点间的连接、多板卡系统或者大型电子设备中的芯片间通信。 D2D互联：专注于在同一个封装体内，不同芯片裸片（Die）之间的数据传输。这种技术适用于高性能计算（HPC）、人工智能（AI）和网络应用，其中对数据传输速度和能效有极高要求。 在技术实现上，通用兼容和复杂高性能各具特色。 C2C互联：可能涉及到较长的互连路径和使用标准的接口技术，如PCIe或以太网，这些技术在设计上更注重通用性和兼容性。 D2D互联：则利用更短的互连路径和更高速的SerDes或并行接口技术，以实现更低的延迟和更高的带宽。D2D互联通常需要更复杂的设计和优化，以适应封装内紧凑的空间和热管理要求。 2.2.在带宽、延迟和能效方面，D2D相比于PCIe等传统C2C互联技术优势显著 D2D互联：D2D互联技术可以支持高达112Gbps的SerDes带宽，而并行架构可以达到每引脚8Gbps的数据速率。D2D互联的延迟非常低，因为它利用了封装内极短的通道特性，例如，UCIe标准提出的延迟小于等于2ns。 PCIe：作为一种广泛使用的C2C互联技术，PCIe在带宽和延迟方面的表现取决于其版本。例如，PCIe4.0可以提供高达16GT/s的数据传输速率，但相比D2D互联，其延迟较高，且随着通道长度的增加，延迟和带宽都会受到影响。 图5当前Chiplet间主要互连方案比较 资料来源：CSDN,华西证券研究所 3.Chiplet时代来临，应用前景广阔，龙头厂商加速布局，D2D生态蓬勃发展 Chiplet高速发展，D2D市场空间巨大。根据TransparencyMarketResearch，整个Chiplet行业在2031年有望达到471.9亿美元，Chiplet市场在2021-2031十年期年复合增长率将保持36.4%；根据芯耀辉和SemiWiki，实现DietoDie（D2D）互连的接口IP市场在2026预计达到3.24亿美元，2021-2026五年期年复合增长率高达50%。 图62021-2031年Chiplet市场情况图7D2DIP市场趋势 资料来源：TransparencyMarketResearch，华西证券研究所资料来源：芯耀辉，华西证券研究所 3.1.高带宽、低延迟，DietoDie应用场景广阔 DietoDie（D2D）互联技术的应用场景广泛，主要得益于其高带宽、低延迟和高能效的特点。以下是D2D互联技术的一些关键应用场景： 高性能计算（HPC）：在高性能计算领域，D2D技术可以连接多个处理器或加速器Die，以实现紧密耦合的计算性能。这在需要大规模并行处理的科学计算和数据分析任务中尤为重要。 人工智能（AI）和机器学习（ML）：AI和ML应用通常需要大量的数据传输和低延迟的响应。D2D互联可以连接AI加速器和处理器，以支持复杂的神经网络模型训练和推理任务。 数据中心：现代数据中心需要处理海量数据，并支持云计算服务。D2D技术可以提高数据中心内部芯片间的数据传输效率，降低能耗，提升整体性能。 汽车和自动驾驶：随着汽车电子系统的复杂性增加，D2D技术可以用于连接自动驾驶系统中的多个传感器和控制单元，以实现快速的数据处理和决策。 图形处理单元（GPU）：在高性能GPU设计中，D2D互联可以连接多个图形处理Die，以实现更高的图形渲染能力和更复杂的场景模拟。 D2D在对性能要求极高的应用方面具有显著优势，随着技术的发展和生态系统的成熟，D2D互联预计将在未来的半导体设计中扮演更加重要的角色。 3.2.Chiplet快速增长，相关厂商