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过去一年,在摩尔定律放缓以及芯片脱钩等多个因素下,Chiplet(小芯片,又称“芯粒”)技术被认为是提升算力密度的关键路径,成为了中国半导体产业重点关注的赛道之一。


1月5日,美国、中国两家半导体企业不约而同公布基于Chiplet的先进芯片量产:


CES 2023开幕演讲上,美国芯片巨头AMD发布全球首个集成数据中心APU(加速处理器)芯片Instinct MI300,其采用5nm和6nm的先进Chiplet 3D封装技术,实现高达1460亿个晶体管,AI性能比前代提升8倍以上,最快2023年下半年发货;


国内晶圆封装龙头长电科技(600584.SH)宣布,公司XDFOI Chiplet高密度多维异构集成系列工艺已按计划进入稳定量产阶段,同步实现4nm节点多芯片系统集成封装产品出货。



实际上,Chiplet是一种芯片“模块化”设计方案,通过2.5D/3D集成封装等技术,能够将不同工艺节点、不同功能、不同材质的芯片,如同搭积木一样集成一个更大的系统级芯片(SoC)。与传统的SoC方案相比,Chiplet模式具有设计灵活性、成本低、上市周期短等优势,非常适用于高性能计算等领域。


例如,搭配28nm、14nm等不同制程芯片,通过Chiplet等技术集成的芯片,可接近7nm芯片性能和作用,而且成本最高降低50%以上———设计一款5nm芯片的总成本接近5亿美元。而且,国产Chiplet有助于减少美国对先进技术封锁的影响。


根据钛媒体App编辑的统计,自2022年8月开始,“Chiplet”的百度中文搜索量突然猛增,周搜索指数最高增长6123倍。而在去年12月中的一周内,搜索量暴增1005倍,热度仅次于“布洛芬”、口罩和抗原等。


这意味着,最近很多人开始在中文互联网上搜索、了解Chiplet半导体技术。


清华大学集成电路学院院长吴华强教授在2022年IC World大会上表示,Chiplet是延续摩尔定律的重要技术路径,对中国至关重要,是核心战略产品:是集成电路产业后摩尔时代重要技术路径;具有极高的商业价值;为没有EUV光刻机下争取战略缓冲期;可重新定义产业链。


去年12月,中国发布了首个原生Chiplet技术标准《小芯片接口总线技术要求》,被认为是AMD、台积电发起的国际UCIe标准的“中国创新版”,有超过60家企业参与,成为Chiplet行业标准的Plan B。


不过,当前Chiplet还存在很多争议和挑战。无论是国内芯片IP(知识产权)偏少,产业上下游的支持力度差,还是芯片测试良率、互连技术、集成封装技术、供电散热等方面的技术挑战,都说明国内Chiplet产业链还不成熟,距离自主可控还有一定距离。


“国内已经具备了一定的Chiplet芯片设计能力,但是普遍基于海外的制造和集成工艺。”吴华强坦言。


那么,在加快芯片“国产替代”的大背景下,Chiplet能否成为中国突围芯片封锁的“救星”?


争议中的“灵丹妙药”


事实上,Chiplet并不是一项新的技术名词。


早在2009年,英特尔在制造一款复杂处理器(i7 Nehalem process)时,就提到了类似Chiplet的多芯片3D集成的概念,当时这一消息还没被很多人关注到。


随后2015年ISSCC大会上,美国芯片巨头Marvell创始人周秀文提出了MoChi(模块化芯片)架构概念。同一年,美国芯片巨头AMD公司就以实现性能、功耗和成本的平衡为目标,率先将Chiplet应用于商业产品中,自此之后陆续使用HBM、Chiplet和3D Chiplet等技术研发芯片产品。


为什么要Chiplet?一个核心原因就是:摩尔定律的放缓以及先进芯片设计成本越来越高,通过Chiplet实现对算力的无止境需求。


事实上,近年来,随着高性能计算、人工智能、5G、汽车、云端等应用的蓬勃发展,要求芯片成品制造工艺持续革新以弥补摩尔定律的放缓,先进封装技术变得越来越重要,也逐渐成为芯片公司加码布局的重点。而Chiplet将SoC模块化之后,可以减少重复的设计和验证环节,提高产品的迭代速度,与更加追求效率的后摩尔时代调性相同。


Chiplet是行业技术、市场需求与经济效益协同选择的结果,近年来加速爆发主要源于三方面:1、摩尔定律呈现放缓趋势,先进制程工艺逐渐接近物理极限、成本高且产能有限;2、单芯片算力逐渐无法满足人工智能、大数据、科学计算等战略应用算力需求激增要求:3、万物智能互联时代,市场对芯片多样化、敏捷化开发需求极高。


2019年,AMD发布7nm制程的Ryzen 3000系列,其中内置基于Chiplet技术的Zen 2内核,实现了对英特尔落后制程和性能上的超越,以较高的性价比快速分食PC处理器芯片领域的市占率。


2021年6月,AMD发布了基于3D Chiplet技术的3D V-Cache,使用台积电的3D Fabric先进封装技术,引入垂直Cache,让存储架构基于Chiplet以3D堆叠的形式与处理器封装在一起,最后概念产品中每个Ryzen 5000 Chiplet的存储架构实现接近翻倍的提升。

苹果Chiplet专利与M1 Ultra芯片


随后,科技巨头们也嗅到了Chiplet技术的商业化前景。2022年3月,苹果公司发布的自研M1 Ultra芯片,就是通过Chiplet封装方案,将两个M1 Max芯片互连,以实现更高的性能以及更经济的方案;2021年特斯拉发布的7nm Dojo Al超算模组,采用了Chiplet技术,每秒可执行1024亿次计算,性能远远高于其他芯片产品,甚至还取代日本的“富岳”成为全球最快的超级计算机。


此外,Chiplet技术类似于预制菜概念,引入了平台化设计模式。一方面,这种系统平台带来成熟解决方案,可固化成的标准组件,降低技术风险,减少重复开发;另一方面平台化设计使技术收敛,易于实现标准化,形成生态的必要系件,而且系统开发变为软件开发+定制功能实现,加速了应用开发和应用创新。


根据调研机构Omdia数据显示,到2024年,Chiplet处理器芯片的全球市场规模将达到58亿美元,较2018年增长9倍。到2035年,全球Chiplet芯片市场规模将有望扩大到570亿美元,较2024年增长近10倍。

基于Chiplet的系统芯片示意图(来源:IEEE会议)


“(Chiplet)解决7nm、5nm及以下工艺中,性能与成本的平衡,能降低较大规模芯片的设计时间和风险。”芯原股份CEO戴伟民十分看好Chiplet这项技术发展。去年一场线上会议中,戴伟民直言,Chiplet技术能使中国构建计算机和电子设备核心的中央处理器(CPU)和图形处理器(GPU)的“战略库存”。


对于中国来说,Chiplet技术的最大吸引力在于,它可以在降低成本下,实现不同工艺节点的芯片产品搭配,并通过添加或删除Chiplet,来创建具有不同功能集的不同产品。除了降低成本外,还能大大缩短研发时间,增强企业的市场竞争力。


“Chiplet技术带来系统综合性能的提升,可弥补中国EUV光刻机等关键装备不足缺陷。采用Chiplet技术,可以支撑换道发展变革性技术,为中国集成电路产业发展争取战略缓冲期。”吴华强表示,随着数字化与智能化进程加快,对算力需求紧迫,高性能计算芯片有望成为引爆Chiplet市场的核心产品。


不过,清华大学教授魏少军却认为,Chiplet处理器芯片是先进制造工艺的“补充”,而不是替代品。“其目标还是在成本可控情况下的异质集成。”


综合考虑成本、性能等多方面的因素,魏少军表示,Chiplet技术最大的应用场景,主要包括计算逻辑与DRAM(动态随机存储)集成、手机领域通过Chiplet将多颗芯粒集成以节省体积、以及汽车、工业控制、物联网等领域。


云岫资本合伙人兼首席技术官赵占祥此前在公开演讲中也指出,Chiplet不仅是先进封装,合理的架构设计才能和封装技术相得益彰。架构设计和先进封装齐头并进,才能加速Chiplet的落地与实现。每款用Chiplet技术实现的大芯片一定是两者共同作用的产物。


“盲目夸大Chiplet的作用也是不对的,只是Chiplet设计方式加上成熟工艺在某些场景下小于或等同于先进工艺的作用,Chiplet并不能替代以光刻机的演进为主要方向的传统集成电路技术路线。”中国计算机互连技术联盟CCITA郝沁汾对钛媒体App表示,只靠Chiplet并不能实现中国芯片产业的“弯道超车”。


此外,值得注意的是,因为Chiplet技术强调将模块化的芯片之间的互连,因此容易与“先进封装”概念混淆。英特尔中国研究院院长宋继强博士,在2022年12月的一场线上活动中向钛媒体App介绍了这两个概念的区分。


宋继强表示,先进封装和Chiplet的概念并不等同,先进封装是将不同的芯片很好地封装在一个更大的芯片中,是集成制造技术,而Chiplet更多则是对芯片架构或系统架构的设计理念。“多芯片封装集成中未必需要Chiplet的设计,但想要实现Chiplet,则一定需要用到先进封装。”


宋继强向钛媒体App强调,Chiplet更多是设计理念的概念。而Chiplet要实现得好,一定要用到先进封装,但先进封装里面不一定都是Chiplet的设计。


电子科技大学电子科学与工程学院教授黄乐天曾谈到,尽管Chiplet作为一种新的技术路线,确实给出了在单个裸片晶体管数量受限的情况下,保持封装后芯片产品晶体管数量持续提升的方法,但是,Chiplet绝不是解决目前国内芯片产业的“万能神药”,其局限和挑战同样很大,还会由于国内的特殊情况而导致新的挑战。


国产Chiplet背后的五大挑战


尽管争议颇多,但中国已经开始布局和重视Chiplet技术的发展,毕竟美国企业已经跑在了前面。


目前在国内,华为海思半导体是最早研究Chiplet芯片的科技公司之一。后来,包括芯片IP公司芯原股份、长电科技、通富微电、寒武纪等企业都在发力Chiplet技术。据中国证券报统计,A股中布局Chiplet的概念股有8只。



同时,寒武纪第四代Al处理器MLUarch03、壁仞科技通用GPU BR100等一批基于Chiplet技术的国产芯片都已经对外量产或测试使用。


去年12月27日,龙芯中科(688047.SH)宣布完成了一款面向服务器市场的32核CPU处理器“龙芯3D5000”的初样芯片验证。而3D5000就是通过Chiplet技术,把两个3C5000的硅片封装在一起。龙芯预计将在2023年上半年向产业链伙伴提供样片、样机。


不过,虽然上述芯片基本都是国内企业的设计、销售,但是它们依然基于海外的制造和集成工艺,IP(知识产权)也不可避免的用到了美国技术,中国Chiplet产业链国产化率较低。


仅芯片IP市场来看,2021年,英国Arm公司和美国Synopsys分别以40.4%、19.7%高市占率稳居全球第一、第二位置,而中国大陆仅有芯原股份以3.3%的全球市占率挤进前十名。


国产化率偏低背后原因,与制造能力和封装技术企业支持力度较弱,部分EDA工具、高性能芯粒间互联接口、测试技术等关键技术空白,以及缺少国内广泛接受的统一Chiplet标准等诸多因素有关。


吴华强表示,国内具备Chiplet的基础能力,但发展问题突出。他提到以下五点问题与挑战:

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制造能力同国外还存在差距,先进封装技术水平需要进一步提升;


国内缺少广泛接受的统一Chiplet标准,多种标准分散,不利于形成合力,浪费产业资源;


国内产业链协调联动不够,企业开展Chiplet产品研制需要多方协调,自己弥合产业链,制约了技术创新的快速发展;


Chiplet技术难度高,中小企业面临较高的门槛,既缺少相关经验,又无法独立承担大量的技术攻关,产业生态建设刻不容缓;


部分EDA工具、高性能芯粒间互联接口、测试技术等关键技术存在空白。


一位半导体行业人士对钛媒体App表示,由于Chiplet可以延伸出很多新的封装方案,比如台积电提出的Passive Interposer(2.5D)以及英特尔提出的Silicon Bridges等,但这些核心技术IP并不会销售给中芯国际、长电科技等。因此,一旦国内芯片封装公司想要做Chiplet,就需要大量的投资做研发、做测试验证等,而下游需求订单是否真的存在,依然是一个未知数。


以国内晶圆封装“一哥”长电科技为例。2022年,该公司计划资本开支60亿元,占去年前三季度营收的四分之一左右,其中大部分都是投入包括Chiplet在内的先进封装技术。另外长电还成立了设计服务事业部,去年11月向其全资子公司增资至10亿元,主要为了获得Chiplet设计订单进行协作和服务。但截至目前,长电科技并没有公布相关客户到底有多少、Chiplet市场规模化需求是否存在等。


“Chiplet推动起来的难度主要在于中国企业普遍有技术的不自信。尽管很多企业都加入了英特尔、台积电主导的Ucle联盟,但英特尔并不能把相关技术细节进行公开,尤其中国企业只是标准的贡献者成员(contributor member)。”上述行业人士表示,很多企业在营收面前,都会对Chiplet投入保持谨慎态度。在短期商业需求没那么确定下,大家都质疑Chiplet是否可以全力去投入,还是说只能作为尝试性项目。


吴华强建议,国内需要构建Chiplet产业联盟,形成合力突围,而且要打造Chiplet标准化、产业化、产品化、生态化。


“制定高质量的国内Chiplet技术标准,统一行业接口,扩大共同的芯粒市场;补足、拉通国内产业链条,建设完善的Chiplet产业;支持新商业模式、新业态的发展,打造繁荣活跃的创新环境;以高算力芯片等关键芯片为牵引.依靠市场机制牵引技术应用,加快国内Chiplet芯片产品化;加强国内Chiplet生态建设,包括标准体系建设、产业链动调机制建设、公共技术服务平台建设、开放的IP、芯粒资源池建设、参考流程研发等。”吴华强表示。


突围芯片封锁,Chiplet中国标准成为关键因子


随着半导体战略地位的愈加重要,各国政 府、产业机构也都开始关注到了Chiplet带来的技术变革,纷纷在相关政策制定中提到Chiplet的重要性:


2017年,美国国防部高级研究计划局(DARPA)发布了名为“通用异构集成和IP重用策略(CHIPS)〞的项目,提出Chiplet慨念,目标是培育即插即用的模块化芯片的生态体系,希望通过可复用的芯粒搭建复杂系统的设计模式和军工芯片设计体系;


2022年8月,美国总 统 拜 登签署的《芯片与科学法案》中包括PCAST提交的《振兴美国半导体生态系统》,该文件中提到美国要打造一个包含完整软件栈的Chiplet平台,初创公司和学术机构可以将自己定制的芯粒、芯粒平台集成在一起验证它们的创新方案,以大幅减少完成新产品验证所需要的成本和时间;


2022年10月,欧盟委员会更新《关于建立欧洲开源硬件、软件和RISC-V技术主权的建议和路线图》报告,建议构建“Chiplet+转接板”的欧洲生态系统,即以开源方式开发芯粒间的接口1P,以造成芯粒间接口的“事实”标准,而且开发基于Chiplet的系统芯片基础架构,使中小企业、初创企业和行业能够向“Chiplet+转接板”技术路线迈进。


吴华强直言,Chiplet技术的竞争是生态之争,标准是焦点,平台是竞争力的基础。


2022年3月,英特尔、台积电、三星联手芯片封测龙头日月光,携AMD、Arm、高通、谷歌、微软等科技行业巨头推出了一个全新的通用芯片互连标准:通用小芯片快连(UCle)。旨在为小芯片互连定制一个新的开放标准,简化相关流程,并提高来自不同制造商的小芯片之间的互操作性。这一标准之下,芯片制造商可以在合适的情况下混合构建芯片。


随后,芯原股份、灿芯半导体、芯来科技、芯和半导体、长电科技等诸多国内芯片厂商也纷纷宣布加入UCIe产业联盟。


“基于英特尔和台积电技术的Chiplet标准,中国企业只能作为贡献者成员,没有话语权。”吴华强在他的演讲PPT中直言不讳地指出,如果中国企业可以拉通建立自主体系,国内Chiplet技术在未来两、三年应该有爆发机会。


实际上,生态建设是一项技术革命的关键,唯有越来越多的芯片设计企业开始采用Chiplet设计的时候,才能使国内整个Chiplet生态更成熟稳定。


早在2020年8月,中科院计算所牵头成立了中国计算机互连技术联盟(CCITA),重点围绕Chiplet小芯片和微电子芯片光I/O成立了2个标准工作组,并于2021年6月在工信部中国电子工业标准化技术协会立项了《小芯片接口总线技术》《微电子芯片光互连接口技术》2项团体标准。小芯片接口标准制定,目前集结了国内产业链上下游六十多家单位共同参与研究。



2022年12月,中国首个Chiplet技术标准正式发布,这项标准描述了CPU/GPU、人工智能芯片、网络处理器和网络交换芯片等应用场景的小芯片接口总线(Chiplet)技术要求,包括总体概述、接口要求、链路层、适配层、物理层和封装要求等,以灵活应对不同的应用场景、适配不同能力的技术供应商,实现一种或者几种成本低廉、重点针对Chiplet芯片架构、可以覆盖80%以上应用场景的先进封装手段等。


尽管作为中国小芯片标准的主要发起人和起草人,郝沁汾反复向钛媒体App强调,中国小芯片标准更偏重本土化的需求,与UCIe并不是竞争关系,而且CCITA已经在考虑和英特尔UCIe在物理层上兼容,以降低IP厂商支持多种Chiplet标准成本。


但不可否认的是,随着美国政 府对中国半导体的制 裁步步升级,对于中国突围先进制程芯片发展短板,Chiplet中国标准将成为国内芯片发展的关键因子,有助于推动行业围绕Chiplet技术形成更加广泛的社会分工。


不过,先进制程依然是整个半导体创新发展的基础,没有先进制程Chiplet很难有发展。中国在先进制程和先进封装两方面要齐头并进地推进。“先进制程是基础,是重中之重。如果说没有好的晶体管,没有好的die裸片,后面仅仅靠封装达不到最好的效果。”宋继强对钛媒体App表示。


北京半导体行业协会副秘书长朱晶认为,大家还是要冷静看待Chiplet。Chiplet本质上还是一个集成的技术,整体性能优秀的前提是不能有任何一个短板,同时又加了互联、散热等一系列集成上的难点,所以Chiplet技术本身又制造了更多障碍。关于先进工艺,中国不能有任何投机取巧的心理,就是沉淀下来踏踏实实的干,所有的抄近路都被堵死了,就不要再去企图找到任何捷径了,只能正面对抗。


中科院计算所研究员韩银和表示,Chiplet未来主要将用于高性能领域,5年内会形成Chiplet集成芯片,未来生态将会逐渐完善。


“中国需要形成共识,凝心聚力,抓佳历史性的发展机遇,头部产学研结构密切协作,形成统一标准规范,加速自主Chiplet技术成熟并产业化。”吴华强说。


延伸阅读:



12月23日芯榜举办“芯榜·芯未来”为主题的2022年度峰会,本次会议议题为“半导体投融资论坛暨先进封测&Chiplet”。



会上,日月新研发中心资深经理张志伟先生带来主题为《Chiplets 3D IC Technology Introduce》的演讲。用“搭积木”的比喻形象生动的为大家解析Chiplet的技术原理。


Chiplet就像“搭积木”


张志伟先生称,大芯片的设计包含着很多方式。整个芯片制程怎么突破限制,方法之一:把Function拆开,把一部分Function用特定制程完成,另一部分Function通过其他制程完成,最后把它拼接在一起,有点像“搭积木”的概念。


张志伟先生解释,在整个制程中假如有CPU和GPU、RF的Function,可以选择在CPU用比较高的纳米制程,在GPU、RF模块可以选择用相较于高阶制程成本低的制程。通过先进封装制程方式用2.5D、3D,Fin-out,MCM等封装技术,把它整合,这也就是所谓的Chiplet做法。


Chiplet三大优势


为什么芯片厂商如此青睐Chiplet?张志伟先生表示,单片的SoC,也就是大芯片集成,把所有Function都做在一个芯片里,那设计成本就非常高。例如一个设计7nm的芯片费用大概会在2亿美元以上。除此之外设计时间长、风险高、上市时间慢也被行业人长期诟病。但如果采用Chiplet的方式来做好处是:可以自由选择不同分区的工艺节点;有利于提高良率,降低制造成本;可以实现产品重复使用,缩短产品上市周期。唯一的缺点是因为它用先进封装的方法来做,它的尺寸会比较大一点,大概会到1.2-1.3倍左右。


但是Chiplet当下也面临的巨大挑战:先进封装技术门坎和散热能力提升的技术。


SiP和SoC的主要差异点


张志伟先生表示,SiP和SoC的主要差异点,在于设计制造过程不同:SoC是一体设计,一体制造。而SiP是分批设计、分阶段制造。所谓的SoC是以设计的角度来出发,它是用一个或者多个CPU为控制DPS,把它设计在一个芯片中,当然工艺要求是同一个工艺完成、同一个纳米等级,成本开发周期比较长,设计灵活度比较低。


张志伟先生补充,SiP的概念是出自封装厂,设计一个或者多个CPU为控制器和加速器或者其他硬件封装在一个载体中,它的工艺要求是可以将不同材质和不同工艺封装在这一个封装级别里,优点是成本低、快法时间短、灵活设计性高,但是缺点是测试会非常复杂。


张志伟先生强调,SoC跟SiP发展方向也不一样,SiP发展方向主要以芯片整体性能为主,比如传感器/模拟器/射频模块/高压芯片等功能组合,而SoC主要以高阶制程为走向,将所有Function整合在一个芯片中。


张志伟先生总结,Chiplet的代指是小芯片,2.5D/3D等技术是先进封装的工艺手段制作高阶芯片工艺技术不需要与SOC一样采用相同的工艺,可以靠整合每个成熟的制程芯片的技术集成制造,这就是Chiplet。


而2.5D/3D等先进封装技术采用的是先进封装将Chiplet做集成,而SiP这边是透过2.5D/3D等先进封装技术,并且实现更高的系统集程度。简单来说Chiplet是封装中的一个单元,而2.5D/3D等技术是先进封装手段,而SiP主要是将一个系统用一个封装实现。


谈到Chiplet,自然离不开热门话题UCle联盟。


UCle联盟,主要是由AMD、Arm、日月光、谷歌、Meta等十大厂商联合制定的联盟,今年陆陆续续有多厂商开始加入到这个联盟当中。我国在12月中我们陆续发布了《小芯片接口总线技术要求》正式通过工信部中国电子工业标准化技术协会的审定。



来源:钛媒体App、芯榜

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