摩爾定律“拯救者”？爆紅的Chiplet究竟是一種什么技術

　　通用互連的Chiplet要真正實現(xiàn)可能還需要幾年時間，但不管怎樣，這代表了未來芯片發(fā)展的一個方向

　　半導體產(chǎn)業(yè)鏈全線上漲之際，Chiplet概念引發(fā)市場熱議。

　　8月9日，Chiplet概念股在尾盤階段經(jīng)歷資金的明顯回流，板塊個股中，大港股份(002077)已經(jīng)歷六連板，通富微電(002156)三連板，深科達當天漲幅超10%，蘇州固锝(002079)、文一科技(600520)、氣派科技漲停，芯原股份、晶方科技(603005)、寒武紀、中京電子(002579)漲超5%。

　　Chiplet并不是一個新鮮的概念。研究機構Gartner分析師盛陵海對第一財經(jīng)記者表示，臺積電和英特爾較早就已經(jīng)開發(fā)了相應的技術，但是早年的技術成本還是較高。“但因為是先進技術，所以有很大的想象空間?！?/p>

　　在機構看來，隨著芯片制程的演進，由于設計實現(xiàn)難度更高，流程更加復雜，芯片全流程設計成本大幅增加，“摩爾定律”日趨放緩。在此背景下，Chiplet被業(yè)界寄予厚望，或將從另一個維度來延續(xù)摩爾定律的“經(jīng)濟效益”。

　　什么是Chiplet技術？

　　Chiplet通常被翻譯為“粒芯”或“小芯片”。單從字面意義上可以理解為更為“粒度更小的芯片”。它是一種在先進制程下提升芯片的集成度，從而在不改變制程的前提下提升算力，并保證芯片制造良品率的一種手段。

　　現(xiàn)代芯片制造工藝可以被視為一個無限追求摩爾定律極限的過程，而當芯片的工藝制成突破28nm以下時，傳統(tǒng)的平面晶體管結構便完全不能支撐進一步的微縮，而業(yè)界對此的應對措施當然也很直接——改結構。

　　2011年初，英特爾推出了一種基于FinFET（鰭式場效應晶體管）的商用芯片，將其使用在22nm節(jié)點的工藝上。隨后，臺積電等半導體代工廠也紛紛開始推出自己的FinFET芯片。到2012年，F(xiàn)inFET的應用已開始向20nm節(jié)點和14nm節(jié)點推進。

　　此后為了突破平面晶體管結構的支撐限制，GAAFET技術、MBCFET技術也相繼問世，將現(xiàn)代芯片制造一步步推向摩爾定律的極限?？呻S著工藝制成邁入10nm級別，芯片制造商才真正遇到了讓其“頭疼”的問題。

　　不斷逼近物理極限的晶體管加工早已讓現(xiàn)有的光刻技術“不堪重負”。一味地追求極限地微縮讓芯片生產(chǎn)中出現(xiàn)地工藝誤差和加工缺陷越來越嚴重。這反應到產(chǎn)品上便是芯片的成品率下降和器件的故障率升高。對此，傳統(tǒng)的解決方案是繼續(xù)加大投資，改善工藝，加強品控，但物理極限的天花板并不是巨量投資能夠突破的。

　　在這樣的背景下，研究人員給出了新的思路，既然缺陷無法避免，那么就想辦法將缺陷“擊中”的裸芯控制在一個較低的比率上。

　　換句話說，在缺陷“密度”確定的情況下，裸芯的面積越小，沒有被缺陷“擊中”的裸芯就越多。所以將大芯片切割成為小芯片（Chiplet）就變成了業(yè)界提升芯片良品率的一種選擇，或者說是目前為止較好的一種選擇。

　　舉例來說，在一顆7nm工藝制程的芯片中，一些次要的模塊可以用如22nm的較低的工藝制程做成Chiplet，再“拼裝”至7nm芯片上，原理如同搭積木一樣，這樣可以減少對7nm工藝制程的依賴。Chiplet模式也是在摩爾定律趨緩下的半導體工藝發(fā)展方向之一。

　　海外芯片巨頭構建Chiplet標準聯(lián)盟

　　到目前為止AMD、英特爾以及臺積電等多家國際頭部芯片設計企業(yè)和多家中國芯片設計企業(yè)都曾表明或已經(jīng)實現(xiàn)在產(chǎn)品中導入 Chiplet 設計。

　　據(jù)公開資料顯示，華為于2019年推出了基于Chiplet技術的7nm鯤鵬920處理器。AMD今年3月推出了基于臺積電3D Chiplet封裝技術的第三代服務器處理芯片，蘋果則推出了采用臺積電CoWos-S橋接工藝的M1 Ultra芯片。

　　早在2015年，AMD在放棄芯片制造多年后，表示希望通過推出“小芯片”來奪回英特爾主導的服務器芯片市場。AMD高級副總裁塞繆爾·納夫齊格(Samuel Naffziger) 在談到公司當時的計劃時稱：“我們在芯片設計方面只有一顆子彈可以射中?！彼傅木褪荂hiplet。

　　與將大量功能打包到一塊大的硅片上不同，AMD選擇將旗艦芯片分成四個獨立的部分，并將它們拼接在一起。

　　“如果沒有支持小芯片的技術，那么未來芯片的生產(chǎn)制造將變得過于昂貴，并且難以繼續(xù)提供計算能力的飛躍。從長遠來看，那些較舊的芯片設計也將消耗過多的功率，在經(jīng)濟上不可行。”一位資深業(yè)內(nèi)人士告訴第一財經(jīng)記者。

　　通過這種“小芯片”的設計思路，AMD降低了40%的制造成本。帶來的直接好處是，AMD可以更加靈活地銷售服務器芯片，根據(jù)需要添加和移除小芯片，并能針對不同的功能選項制定不同服務器芯片的價格區(qū)間。

　　開發(fā)Chiplet是AMD最成功的戰(zhàn)略之一，并幫助AMD的收入從2015年的40億美元增長到去年的164億美元。

　　今年3月，英特爾、AMD、ARM、高通、臺積電、三星、日月光等芯片廠商與Google 云、Meta、微軟等科技巨頭還共同成立了Chiplet標準聯(lián)盟，正式推出了通用Chiplet的高速互聯(lián)標準“UCIE”，旨在定義一個開放的、可互操作的標準，用于將多個Chiplet通過先進封裝的形式組合到一個封裝中。

　　在理想情況下，UCIE標準將允許芯片制造商混合和匹配使用不同制造工藝技術的芯片，并由不同公司制造成內(nèi)置在單個封裝內(nèi)的產(chǎn)品。這意味著將美光制造的存儲芯片、AMD制造的CPU芯片和高通制造的無線調制解調器將可以組裝在一起，這將可以大大提高性能，同時節(jié)省大量電力。

　　業(yè)內(nèi)人士對第一財經(jīng)記者表示，這種通用互連的Chiplet要真正實現(xiàn)可能還需要幾年時間。但不管怎樣，這代表了未來芯片發(fā)展的一個方向。

　　行業(yè)挑戰(zhàn)在哪兒？

　　根據(jù)研究機構Omdia的報告，到2024年，采用Chiplet處理器芯片的全球市場規(guī)模將達58億美元，到2035年，這一規(guī)模有望達到570億美元。Chiplet主要適用于大規(guī)模計算和異構計算，未來有望率先應用于數(shù)據(jù)中心應用處理器、自動駕駛等領域。

　　盡管市場前景充滿想象，但也有部分公司對此技術路徑保持謹慎態(tài)度。

　　“SOC（片上系統(tǒng)）做不了的，比如DRAM和XPU的集成，用Chiplet的設計正合適，現(xiàn)在關鍵的問題還是成本，所以目前的主要應用領域還是局限于高性能計算機。”一位國內(nèi)從事Chiplet技術開發(fā)的企業(yè)負責人告訴第一財經(jīng)記者。

　　英偉達副總裁伊恩·巴克（Ian Buck）則稱，五年多前，英偉達遇到了光掩膜問題，也被稱為標線限制（光掩膜無法打印大于850平方毫米的芯片），但該公司并沒有選擇Chiplet的解決方案。

　　部分原因是由于英偉達的GPU運行方式與CPU具有本質的不同。英偉達的芯片使用數(shù)千個計算內(nèi)核一次執(zhí)行大量相對簡單的計算，為了在不采用“小芯片”方法的情況下應對光掩膜尺寸的限制，英偉達將精力集中在構建所謂的“超級芯片”上。

　　除了技術路徑和原有賽道的偏離，對于國內(nèi)廠商而言，發(fā)展Chiplet的挑戰(zhàn)在于總體生態(tài)。

　　一位正在投資國內(nèi)Chiplet產(chǎn)業(yè)的企業(yè)創(chuàng)業(yè)者告訴第一財經(jīng)記者：“Chiplet在國內(nèi)的生態(tài)還沒建立，也是很有挑戰(zhàn)的一項工作。所涉及的幾項核心技術，如芯片設計、EDA/IP、封裝技術或者缺失或者處于技術發(fā)展初期。國內(nèi)單一芯片技術多數(shù)很很不成熟，例如CPU和EDA，要形成協(xié)同發(fā)展和產(chǎn)業(yè)生態(tài)就更難了。一方面需要繼續(xù)進行大量的投資和技術研發(fā)，另一方面我們也應該積極參與國際上Chiplet相關的聯(lián)盟，與國際接軌，在制定標準方面先占據(jù)一席之地?！?/p>