「芯調(diào)查」Chiplet“樂高化”開啟 UCIe聯(lián)盟要打造芯片的DIY時代

　　Chiplet（小芯片或芯粒）雖然受到工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的追捧，之前只是“少數(shù)人的游戲”。但隨著UCIe產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的誕生，一切將成為過往。一個由頂級廠商所主導(dǎo)的Chiplet生態(tài)系統(tǒng)已經(jīng)開始打造，芯片工業(yè)發(fā)展的新未來開始浮出水面。

因何結(jié)盟

　　UCIe（Universal Chiplet Interconnect Express）聯(lián)盟包括了英特爾、臺積電、三星、AMD、Arm、高通、日月光、Google Cloud、Meta、微軟等行業(yè)巨頭，旨在建立統(tǒng)一的die-to-die（裸片到裸片）互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)，打造一個開放性的Chiplet生態(tài)系統(tǒng)。

　　Chiplet被看做是延續(xù)摩爾定律的重要途徑，通過將復(fù)雜芯片的不同功能分區(qū)制作成單獨芯片，再使用先進(jìn)封裝組合在一起，可以突破傳統(tǒng)SoC制造面臨的諸多挑戰(zhàn)（光罩規(guī)模極限和功能極限等），大幅降低設(shè)計生產(chǎn)成本。

　　因使用基于異構(gòu)集成的高級封裝技術(shù)，Chiplet使得復(fù)雜芯片的生產(chǎn)不再受到不同工藝的約束，憑借算力拓展的方式就提升了整體性能，并大幅縮短了生產(chǎn)周期。半導(dǎo)體大廠紛紛開始布局，希望依靠先進(jìn)封裝技術(shù)，以差異化的堆疊來整合不同工藝制程，讓Chiplet發(fā)揮更高效率。

　　與所有技術(shù)一樣，Chiplet也面臨不少挑戰(zhàn)，將不同規(guī)格與特性的小芯片封裝在一起，散熱、應(yīng)力和信號傳輸都是重大的考驗。最大的問題還是標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，不同廠商開發(fā)的Chiplet很難實現(xiàn)匹配和組合，因而限制整個業(yè)態(tài)的發(fā)展。

　　“UCIe的出現(xiàn)相當(dāng)于交通規(guī)則實現(xiàn)統(tǒng)一，打破了不同工藝和晶圓廠之間的界限?！睒I(yè)界資深人士何凌（化名）告訴愛集微，“之前每個Chiplet組合都需要制定新的傳輸協(xié)議，無論die通過硅橋還是基板連接，供應(yīng)商都需要進(jìn)行定制，對設(shè)計公司還是供應(yīng)鏈來說，復(fù)雜度都過高了?！?/p>

　　他進(jìn)一步解釋，“Chiplet都有好幾個die，可能來自相同工藝的不同晶圓廠，或是同一晶圓廠的不同工藝，要實現(xiàn)連接就需要特定的die-to-die連接IP，而只有晶圓廠互相同意，才會搭起這個橋?！?/p>

　　統(tǒng)一的連接標(biāo)準(zhǔn)因此至關(guān)重要。英特爾公司IO技術(shù)解決方案團(tuán)隊?wèi)?zhàn)略分析師Kurt Lender表示：“基于小芯片的SoP架構(gòu)允許設(shè)計人員將來自多個供應(yīng)商的設(shè)計IP和工藝技術(shù)整合在一起，但這種模塊化和設(shè)計自由度只有在設(shè)計人員使用標(biāo)準(zhǔn)化、可互操作的硬件時才有效，而跨多個供應(yīng)商實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化硬件的最佳方式就是設(shè)置一個每個人都可以使用的單一開放規(guī)范?！?/p>

　　UCIe聯(lián)盟制定的UCIe標(biāo)準(zhǔn)意味著小芯片的接口將標(biāo)準(zhǔn)化，用戶可以從多個晶圓廠獲得構(gòu)建Chiplet的小芯片，實現(xiàn)真正的混合配置，“等于打破了各公司之間的壁壘，降低了復(fù)雜芯片的開發(fā)成本?！睈奂⒆稍儤I(yè)務(wù)部總經(jīng)理韓曉敏認(rèn)為這將在提高Chiplet生態(tài)系統(tǒng)效率方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。

　　英特爾公司表示，UCIe聯(lián)盟代表一個多樣化的市場生態(tài)系，將滿足客戶對于更加客制化的封裝層級整合需求，從一個可互通、多廠商的生態(tài)系，連結(jié)同級最佳芯片到芯片互連和協(xié)定。

　　Arm公司指出，UCIe是一個新的行業(yè)聯(lián)盟，旨在建立一個die-to-die的互連標(biāo)準(zhǔn)，并促進(jìn)一個開放的Chiplet生態(tài)系統(tǒng)，同時滿足客戶對更多可定制的封裝級集成的要求，將一流的die-to-die的互連與協(xié)議從一個可互用且多廠商的生態(tài)系統(tǒng)連接起來。

聯(lián)盟使命：突破互聯(lián)、封裝屏障

　　樂高積木有成千上萬種，依靠統(tǒng)一的插口，用戶可以實現(xiàn)任何組合。對于Chiplet來說，這種統(tǒng)一的插口就是die-to-die之間的互聯(lián)接口和協(xié)議。

　　之前的Chiplet設(shè)計將die-to-die互連與公司的專有接口結(jié)合在一起。要擴(kuò)大Chiplet的應(yīng)用范圍，需要開放接口進(jìn)行互連，使不同的小芯片能夠相互通信。

　　互連接口和協(xié)議對于Chiplet十分關(guān)鍵，其設(shè)計必須考慮與工藝制程及封裝技術(shù)的適配、系統(tǒng)集成及擴(kuò)展等要求，還需滿足不同類型Chiplet集成對單位面積傳輸帶寬、每比特功耗等性能指標(biāo)的要求。

　　UCIe聯(lián)盟此次沒有采取激進(jìn)的方法，而是在UCIe 1.0規(guī)范中選擇了成熟的PCIe(PCI Express)和CXL(Compute Express Link)互聯(lián)總線標(biāo)準(zhǔn)。

　　PCIe提供了廣泛的互操作性和靈活性，而CXL可用于更先進(jìn)的低延遲/高吞吐量連接，如內(nèi)存（CXL.mem）、I/O（CXL.io），以及加速器，如GPU和ASIC（CXL.cache）。

　　PCIe和CXL已經(jīng)經(jīng)過了多重的考驗，這意味著UCIe標(biāo)準(zhǔn)正在以一個完整且經(jīng)過充分驗證的協(xié)議層開始運行，可以提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸和鏈路管理，以及緩存一致性等額外的定制功能。更為重要的是，設(shè)計者和芯片制造商都可以利用現(xiàn)有的PCIe/CXL軟件，進(jìn)一步降低了開發(fā)功能。

　　對此，半導(dǎo)體行業(yè)人士陳啟給出評價：“在UCIe標(biāo)準(zhǔn)落地之后，芯片設(shè)計會走向更靈活高效的設(shè)計思路，以滿足多樣化半定制的需求，因此需要不同制程的芯片通過專用總線連接起來，在高效設(shè)計和成本方面達(dá)到平衡點；UCle標(biāo)準(zhǔn)確定后，未來異構(gòu)芯片的集成也就鋪平了總線標(biāo)準(zhǔn)的道路?！?/p>

　　解決互聯(lián)只是第一步，要將Chiplet真正結(jié)合在一起，最終還要依靠先進(jìn)封裝。這也是Chiplet被劃歸為先進(jìn)封裝的意義所在。不過，臺積電擁有CoWoS/InFO、Intel擁有EMIB、Fovores 3D等，Chiplet使用的先進(jìn)封裝多種多樣。為了實現(xiàn)更大的兼容性，UCIe1.0標(biāo)準(zhǔn)沒有涵蓋用于在小芯片之間提供物理鏈接的封裝/橋接技術(shù)。

　　在UCIe的定義中，Chiplet可以通過扇出封裝、硅中介層、EMIB連接，甚至可以通過一個普通的有機(jī)基板連接。只要一個UCIe小芯片符合標(biāo)準(zhǔn)（包括凸塊間距），它就可以與另一個UCIe小芯片通信。

圖UCIe當(dāng)前所覆蓋的封裝形式（數(shù)據(jù)來源：UCIe白皮書）

　　需要注意的是，Chiplet技術(shù)的發(fā)展終究會使得小芯片間的互聯(lián)達(dá)到更高的密度，因此需要從傳統(tǒng)的凸點焊接轉(zhuǎn)向混合鍵合（hybrid bonding）。但是，UCIe 1.0標(biāo)準(zhǔn)基本上只對2D和2.5D芯片封裝進(jìn)行了定義，要應(yīng)對先進(jìn)封裝功能和密度的不斷提升，標(biāo)準(zhǔn)本身還需不斷升級。

誰人受益

　　UCIe聯(lián)盟的發(fā)起者中有IDM、晶圓廠、封裝廠、IP和系統(tǒng)廠商，誰將是受益者？

　　作為UCIe聯(lián)盟的發(fā)起人，英特爾認(rèn)為，將多個小芯片整合至單一封裝，在各個市場提供產(chǎn)品創(chuàng)新，是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的未來，也是英特爾IDM2.0策略的重要支柱。

圖英特爾Pat Gelsinger提出IDM 2.0戰(zhàn)略

　　IDM2.0就是把原本只為英特爾內(nèi)部服務(wù)的IDM模式套用到客戶上，提供從芯片設(shè)計、定制化、晶圓制造到封裝測試等傳統(tǒng)半導(dǎo)體上下游環(huán)節(jié)的一條龍服務(wù)。

　　與IDM1.0模式最大的不同就是IDM2.0加入了封裝技術(shù)。英特爾擁有頂級的3D封裝技術(shù)，配合Chiplet生態(tài)，可有效地縮短純制程工藝上的差距。

　　亞馬遜、Google、蘋果、微軟、Meta和特斯拉等科技巨頭都曾是英特爾的客戶，如今在云端服務(wù)和終端產(chǎn)品上，都有計劃或已經(jīng)采用自研芯片，原因之一就是英特爾過去缺乏彈性的定制化服務(wù)能力。若英特爾的3D封裝技術(shù)借Chiplet生態(tài)發(fā)揮最大功效，有望滿足這些客戶的高端設(shè)計服務(wù)需求。

　　今年2月，英特爾正式宣布一項10億美元新基金，將優(yōu)先投資能加速代工客戶產(chǎn)品上市時間的技術(shù)能力，涵蓋IP、軟件工具、創(chuàng)新芯片架構(gòu)和先進(jìn)封裝技術(shù)。英特爾還宣布與該基金聯(lián)盟的多家公司建立合作伙伴關(guān)系，打造一個開放的Chiplet平臺（Open Chiplet Platform）。此平臺將利用英特爾的封裝能力和針對英特爾代工服務(wù)（IFS）工藝技術(shù)的IP優(yōu)化，并結(jié)合包含集成和驗證服務(wù)，加快客戶上市時間。

　　有資深業(yè)內(nèi)人士指出，“提出IDM2.0，可使英特爾處在可進(jìn)可退的位置，進(jìn)一步建立標(biāo)準(zhǔn)語言后，未來有機(jī)會去爭取更多的客戶，退路是如果做得不好，則可以進(jìn)行外包,也符合2.0計劃?！?/p>

　　晶圓廠在當(dāng)前的Chiplet生態(tài)中處于有利位置，加入UCIe聯(lián)盟將使得優(yōu)勢進(jìn)一步擴(kuò)大。晶圓廠積累了大量用于傳統(tǒng)芯片的IP核和die，都可以用于開發(fā)基于Chiplet的設(shè)計?？蛻暨x擇想要整合的功能，晶圓廠提供解決方案，結(jié)合先進(jìn)工藝和先進(jìn)封裝將不同的Chiplet集成在一起。

　　臺積電早在10年前開始耕耘先進(jìn)封裝，結(jié)合自身晶圓代工龍頭的實力，快速拉開和對手的差距，同時正大舉擴(kuò)充先進(jìn)封裝產(chǎn)能。臺積電先進(jìn)封裝竹南AP6廠去年SoIC部分設(shè)備已移入，Info相關(guān)部分則目標(biāo)是今年到位，整體將在今年底量產(chǎn)。

　　三星先前也已陸續(xù)更新異質(zhì)封裝技術(shù)，最早在2018年推出首款I(lǐng)-Cube2方案，后續(xù)在2020年推出X-Cube方案的3D堆疊設(shè)計，去年也已更新I-Cube第四代方案。

　　何凌認(rèn)為，晶圓廠如果把先進(jìn)封裝做好，“彎腰”進(jìn)入更下游的基板領(lǐng)域，將基板的基礎(chǔ)打好，有助于實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)垂直整合的目標(biāo)。

　　封裝廠也在研究自己的Chiplet策略，但依然采取了類似當(dāng)前的生產(chǎn)流程。晶圓廠為客戶生產(chǎn)芯片，然后將成品芯片送到封裝廠，由其負(fù)責(zé)處理封裝集成?！皢栴}是Chiplet更多的是依靠先進(jìn)封裝，屬于前道工藝的范疇，所以處在后道工序的封裝廠戲份并不多?！币晃恍袠I(yè)觀察者指出。

　　不過，扇出型板級封裝的出現(xiàn)可能改變這種局面。這種封裝技術(shù)將使得封裝廠具備與晶圓廠相抗衡的實力，以日月光為首的封裝廠正在積極開發(fā)自己的板級封裝工藝。

　　IP公司也將從Chiplet生態(tài)中獲得更多機(jī)會。“即使是大公司也無法承擔(dān)內(nèi)部開發(fā)所有IP的費用，希望通過第三方IP來節(jié)省時間和金錢；同時，UCIe對于IP供應(yīng)商意味著新的生意，不管是芯片內(nèi)部傳輸，還是在機(jī)箱中增加UCIe接口，都增加了更多可能性?！焙瘟枵f。

　　不過，最大的機(jī)會源自IP的芯片化?！巴ㄟ^標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議，IP公司可以把CPU核做成一個芯片，實現(xiàn)實體化，而隨著Chiplet方案進(jìn)一步擴(kuò)展，Arm A78核可能用臺積電的16nm就搞定了，單個小芯片體積變小，整體設(shè)計成本就大幅降低了?！焙瘟枵J(rèn)為相當(dāng)于將Chiplet廣義化，若協(xié)議推廣開來，IP開發(fā)難度門檻會降低很多，很多IP公司都愿意加入這個聯(lián)盟。

　　Arm公司就表示，可互用性對于解決Arm生態(tài)系統(tǒng)、乃至整個行業(yè)的碎片化至關(guān)重要，“當(dāng)今，我們看到行業(yè)中有很多人正在以獨特的方式進(jìn)行這種的整合；通過UCIe，我們能夠推動一個可互用的標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)將同時提供向后兼容的能力?！?/p>

　　最后是微軟、Meta、Google一類的系統(tǒng)公司，其已經(jīng)從自研芯片中得到很多益處。有了成熟的Chiplet生態(tài)，他們將會更容易地得到定制化芯片。

　　UCle聯(lián)盟的成立只是Chiplet生態(tài)建立的頭一步，當(dāng)技術(shù)和商業(yè)模式逐漸成熟的時候，Chiplet體系中可能還會出現(xiàn)新的商業(yè)角色，如供應(yīng)Chiplet模塊芯片的供應(yīng)商、將Chiplet芯片集成組合形成系統(tǒng)能力的集成商，以及進(jìn)行工具鏈和設(shè)計自動化支持服務(wù)的EDA軟件提供商等。所以，UCIe的誕生確實為芯片工業(yè)又打開了一扇新的大門。