《中国电子信息工程科技发展研究．软件定义晶上系统(SDSoW)专题》主要从未来信息基础设施的发展形势和当前集成电路面临的发展困局出发，通过研判集成电路技术产业的发展趋势，紧贴我国集成电路技术与产业基本国情，从摩尔定律资源密度和价值密度增长的本质出发，提出软件定义晶上系统这一微电子发展新范式，并阐述了其基本内涵和关键技术，同时结合当前技术发展的现状，对软件定义晶上系统的未来做出重要判断：软件定义晶上系统将开辟集成电路的新发展范式，并驱动本质智能时代的到来。

目录
《中国电子信息工程科技发展研究》编写说明
前言
第1章我国集成电路面临的形势与困局1
1.1未来信息基础设施特征1
1.1.1软件定义化1
1.1.2连接泛在化3
1.1.3资源云端化5
1.1.4服务智能化6
1.1.5内生安全性7
1.2未来信息基础设施对集成电路的需求9
1.2.1工程系统角度：超高密度与超强能力需求9
1.2.2芯片能力角度：“摩尔定律”持续有效需求11
1.2.3新型应用角度：服务质量极致化保证需求12
1.2.4服务模式角度：经济性指标重新定义需求14
1.3全球集成电路面临的发展困局15
1.3.1工艺节点维度：先进工艺节点逼近物理极限17
1.3.2裸芯面积维度：超大裸芯尺寸导致良率锐减19
1.3.3先进封装维度：高级封装的规模与散热瓶颈21
1.4我国集成电路面临的特有困局22
1.4.1我国集成电路的基本国情分析22
1.4.2我国集成电路面临的国际环境25
1.4.3底线思维下的集成电路出路思考28
第2章软件定义晶上系统的提出31
2.1集成电路正迎来发展范式迁移31
2.1.1哲学视角：以“新三论”探究智能涌现之路31
2.1.2系统视角：以系统工程学升级工程技术路线35
2.1.3微电子视角：以维度扩展重新定义摩尔定律39
2.2我国集成电路的发展范式内涵42
2.2.1集成电路在国家战略中的基石地位42
2.2.2探索二流工艺的一流系统发展之路44
2.2.3系统工程科学的“它山之石”启迪45
2.3软件定义晶上系统47
2.3.1思维视角的升级47
2.3.2方法论的迁移50
2.3.3工程实践的指导52
2.3.4微电子新发展范式：软件定义晶上系统53
第3章软件定义晶上系统的内涵与关键技术54
3.1软件定义晶上系统的内涵54
3.1.1软件定义系统：系统之系统56
3.1.2软件定义晶圆：软件定义硬件56
3.1.3晶上系统：异构异质拼装集成56
3.1.4软件定义晶上系统：结构与工艺联合迭代创新57
3.2软件定义晶上系统的关键技术57
3.2.1领域专用软硬件协同计算架构57
3.2.2软件定义晶上互连网络66
3.2.3领域专用混合粒度芯粒70
3.2.4晶圆基板制备与拼装集成72
3.2.5超高密度供电与散热75
3.2.6软硬件协同开发与编译工具79
3.3与片上系统技术对比84
3.3.1软硬件配合到软硬件协同84
3.3.2IP设计复用到芯粒集成复用85
3.3.32.5D/3D封装到晶圆级集成86
3.3.4单一工艺到多种工艺88
3.3.5硅基材料到异质材料89
第4章国内外相关进展91
4.1先进封装进展91
4.1.12.5D封装91
4.1.23D封装95
4.1.3晶圆级封装102
4.2新型计算架构进展104
4.2.1异构计算105
4.2.2近存计算108
4.2.3软件定义计算109
4.2.4图计算114
4.3先进互连进展114
4.3.1高速串行互连114
4.3.2晶上并行互连117
4.3.3硅光互连125
4.4供电与散热进展127
4.4.1大面积供电进展127
4.4.2高密度散热进展142
4.5领域专用高级语言与开发环境进展144
4.5.1OpenCL与CUDA144
4.5.2P4与Capilano145
4.5.3Chisel与JDK148
第5章软件定义晶上系统发展展望149
5.1集成电路的新发展范式149
5.1.1刷新信息基础设施技术物理形态149
5.1.2重新定义微电子技术经济性指标150
5.1.3构建微电子技术产业分工新模式151
5.1.4加速微电子技术融合应用创新152
5.2驱动本质智能时代到来153
5.2.1赋能面向领域的软硬件协同计算154
5.2.2赋能知识与算法驱动的智能时代155
第6章结束语157
参考文献159

第1章我国集成电路面临的形势与困局
　　1.1未来信息基础设施特征
　　随着云计算、大数据、人工智能、5G、区块链等新一代信息技术逐渐向经济生活各个领域渗透，新一轮的科技革命和产业变革在世界范围内蓬勃发展。为有效推动新一代信息技术在全社会大规模商业化应用，加快构建新型信息基础设施成为各国的优先战略选择。2020年初新冠疫情暴发，给社会带来了巨大灾难的同时，也改变了人们的生活工作方式，极大促进了全球数字经济的快速发展。整个社会加速进入数字化、网络化、智能化时代，人类社会加速进入万物感知、万物互联和万物智能的新时代，给信息基础设施发展带来巨大机遇的同时，也对信息基础设施的内涵外延、技术特征、产业能力提出了新的、更高的要求。
　　1.1.1软件定义化
　　硬件和软件是信息技术的两大核心，早期处理硬件以标准中央处理器(Central Processor Unit， CPU)为主，软件开发围绕CPU为主，硬件是信息系统的功能和性能核心。伴随信息化场景的拓展以及硬件技术的发展，涌现出了图形处理器(Graphic Processor Unit， GPU)、数字信号处理器(Digital Signal Processor， DSP)、现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array， FPGA)等处理硬件，继而诞生上述硬件处理单元的配套软件产品，以支持多样化的领域应用，于是软件在信息系统中的比重得到提升。
　　在信息处理系统的网络化阶段，提出软件虚拟化技术，发展出了云计算、数据中心等网络信息处理平台。在网络信息处理平台中，异构化的网络资源、计算资源、存储资源通过软件被虚拟池化和标准化，通过对硬件资源的统一动态调度，可在逻辑上虚拟构建出多样化服务实体，基于单一物理信息基础设施可支持多样化的应用，实现资源高效复用共享和服务弹性快速部署。
　　随着可重构、可编程技术的快速发展，信息技术正在进入软硬件协同计算时代。软件不仅可以定义资源，而且可以直接定义硬件的功能：将硬件设备和平台“白盒化”，由应用场景的软件来定义硬件系统的功能和性能。通过软件定义硬件，既可实现从应用软件到“硅级”硬件的全栈式软件定义，也可实现从功能、性能、流程和数据等的全维软件定义，继而彻底开启信息技术的软件定义时代。软件定义的开放性、标准性、模块化等优势，也为信息技术的智能时代提前做好使能技术准备。
　　当前，软硬件协同计算正在成为新的计算方向，以面向应用的软件定义为中心，通过软件去定义硬件系统、网络平台乃至基础设施成为新的服务模式。在2018年世界计算机体系结构大会上，图灵奖得主John L. Hennessy、 David A. Patterson指出，领域专用软硬件协同计算成为计算机体系结构发展的新方向[1]。中国科学院梅宏院士也在《软件定义的时代》[2]中指出：“我们正在进入一个软件定义时代。”
　　软件定义所涉及的基础硬件资源不局限于传统意义上的存储、计算、网络等硬件资源，还覆盖包括传感、应用、平台等软硬件、服务资源以及数据等“云网端”的各类资源。逐渐“泛化”的软件定义，可实现全网硬件资源互连互通与共享，可支持全栈式、全维资源可编程，形成面向“人网物”万物智联的融合基础设施。
　　1.1.2连接泛在化
　　梅特卡夫定律[3]指出，网络价值与网络中节点数量的平方成正比，即N个连接可创造出N2的效益，即网络价值能够得到的体现程度随着共享程度和用户群体规模的增加而增加。梅特卡夫定律的背后，引领着驱动社会发展的旧经济模式向网络经济模式的迁移，也即意味着一个指数级的非线性经济价值驱动力的产生。抢抓这个战略机遇迅速成为全球共识，越来越多的机器与机器、人与人、物与物被加速互连起来，组成各种各样的复杂信息系统，造就了全球昀大网络信息基础设施。伴随人类物联网和智能化进程深入，这个网络正在从“人网物”万物互连加速向“人网物”万物智联迈进。
　　互联网在**阶段主要实现了PC连接，成就了互联网从学术网络到万维网络的崛起，迅速服务于人类的学习、工作与生活，交互形式以文字、图像为主，连接的PC数量超10亿台，诞生了亚马逊、雅虎、eBay、淘宝等互联网巨头企业；第二阶段主要实现了智能终端连接，移动社交网络的崛起是重要推动力，媒体发布的Web2.0实现了内容的极大丰富，交互形式拓展到以流媒体、短视频等为主，连接的手机数量超50亿台，诞生了Facebook、Google、Netflix、阿里巴巴、腾讯等企业；伴随区块链、云计算、物联网、人工智能等技术与互联网的加速融合，人类正在加速进入网络连接第三阶段，即，“人网物”万物智联，网络空间与数字空间高度融合，交互形式更加场景化、沉浸化、全息化，更好地支撑即将到来的元宇宙时代，连接的智联终端规模至少在500亿台，必将诞生一批寡头企业。连接不仅是驱动生产力发展的底层原动力，而且也逐渐成为人类基本权力，互连技术与产业具有广阔发展前景，也直接关系下一个风口的制高点竞争，发达国家在网络互连方向进行战略布局：Google公司基于开放的安卓平台提出“连接世界战略”的雄伟目标；Facebook将未来战略方向定义为“虚拟现实、人工智能和网络连接”，2021年将公司更名为Meta，宣示全面进军元宇宙的战略决心；腾讯发展战略从“做消费互联网的连接器”，2018年通过成立云与智慧产业事业群等战略升级到“做产业互联网的连接器”；华为提出了“共建美好的全联接世界”战略。
　　科学研究揭示，人类认知世界的过程就是搭建连接通路的过程，连接的发达程度直接决定了智慧程度和阅历深浅，因此可以将连接的发达程度作为衡量智能水平的一个重要标志。为了满足信息系统自动化与智能化的发展需求，就必须搭建连接丰富、所需触发和动态变化的互连网络。基于人机交互的信息系统在未来的信息领域中占据越来越重要的地位，其中的互连技术必须具有发达的连接、动态触发、按需组网、安全低耗、灵活多变的特点，以实现系统的智能化、自动化。因此，随着智能时代的到来，我们将处于一个连接无处不在的智慧世界。
　　1.1.3资源云端化
　　近年来，业界各领域不断提升云基础设施服务上的支出，其中2020年是一个转折点。受新冠疫情冲击，各行业加快了数字化转型的节奏，人们对于云计算、人工智能等新技术的需求也越来越旺盛，这些趋势导致了全球云服务市场增长态势大幅攀升。根据权威调研机构Synergy Research此前发布的数据显示[4]：2020年，企业在云基础设施服务上的支出达1300亿美元，同比增长35%，投入已在数据中心硬件和软件之上。
　　2020年，全球范围企业在数据中心总支出不足900亿美元，同比下降6%，且过去十年间的年均支出率在2%左右，与之相比，云服务基础设施（托管私有云，PaaS和IaaS）的年均支出增长率则高达52%。通过以上对企业在云和数据中心上的支出对比来看，云构架增长持续十年之久，显示出传统IT结构向云构架转变。根据IDC昀新发布的数据显示：2021年上半年中国公有云服务整体市场规模(IaaS/PaaS/SaaS)达到123.1亿美元。
　　以亚马逊云科技为例，2008年以来，亚马逊云科技在人工智能、机器学习以及服务器底层技术等方面一直不断创新，对全球云计算的发展起到了引领作用，使之成为社会重要基础设施。目前，亚马逊云为企业数字化转型提供了超过200多类服务，在数据分析、物联网、人工智能、信息安全等各方面，为企业数字化转型提供了许多实用性工具。
　　在信息科技以惊人速度发展的今天，各行业数字化转型步伐加快。以云为核心的智能化、数字化发展速度正在加快，传统IT结构向云构架转变的趋势不可逆转[5]。云服务变得越来越主流，驱动云无处不在，云IT设施迎来历史重大机遇。
　　1.1.4服务智能化
　　在未来的十年里，全球化发展数字经济、迈向人工智能社会进入新时期。将人工智能技术与基础设施相融合(AI基础设施)，通过构建高通量、高可靠、可重构的柔性高质量网络，基于“算法、算力、算料”等人工智能三大要素，建立开放性基础设施平台实现人工智能高性能、高效能、高灵活部署应用，有助于我们实现智能化服务基础设施的目标。
　　人工智能基础设施主要包含两部分内容：一是以算力资源、数据资源、算法框架为核心的AI能力要素；二是以服务医疗、交通、制造等各垂直行业智能化应用的AI开放平台，包括自动驾驶AI平台、城市大脑AI平台、医疗影像AI平台、智能语音AI平台等赋能各行业应用的AI开放平台，向下能够引导数据、算法、算力等能力要素的演进路径，向上可以面向各垂直行业提供开放、普惠的智能化服务，具有承上启下的重要作用。
　　以企业主导推出的AI开放平台为例，其规模大、应用领域广、落地场景多，有力支撑AI生态体系建设。企业通