大芯片集成將迎來(lái)多年高速增長(zhǎng)期

關(guān)于 Chiplets（俗稱小芯片，也就是將不同制程工藝的裸片 die 封裝在一起，組成一個(gè)系統(tǒng)級(jí)大芯片）的發(fā)展前景，最近，有機(jī)構(gòu)給出了一份非常樂(lè)觀的預(yù)測(cè)報(bào)告。

據(jù) http://Market.us 統(tǒng)計(jì)和預(yù)測(cè)，2023 年，Chiplets 市場(chǎng)規(guī)模為 31 億美元，2024 年將達(dá)到 44 億美元，到 2033 年，將增長(zhǎng)到 1070 億美元，2024~2033 年的復(fù)合年增長(zhǎng)率（CAGR）將達(dá)到 42.5%。

2023 年，高性能 CPU 占據(jù) Chiplets 市場(chǎng)的主導(dǎo)地位，份額達(dá)到 41%。在高性能計(jì)算（HPC）應(yīng)用領(lǐng)域，模塊化的 CPU 設(shè)計(jì)提供了更高效的處理能力，CPU Chiplets 與其它類(lèi)型 Chiplets（如 GPU 和內(nèi)存）集成的靈活性也推動(dòng)著它們的普及。

GPU Chiplets 也越來(lái)越受歡迎，尤其是在高端游戲、人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用中；內(nèi)存 Chiplets 也至關(guān)重要，特別是在需要大型快速內(nèi)存池的應(yīng)用中，例如大數(shù)據(jù)分析和云計(jì)算。

2023 年，由于智能手機(jī)、筆記本電腦和可穿戴設(shè)備的進(jìn)步，消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品以超過(guò) 26% 的份額主導(dǎo)著 Chiplets 應(yīng)用市場(chǎng)；IT 和電信服務(wù)應(yīng)用占比在 24% 左右，這主要得益于數(shù)據(jù)中心的高性能計(jì)算需求增長(zhǎng)。

2023 年，亞太地區(qū)成為 Chiplets 的主導(dǎo)力量，占據(jù)了 31% 的市場(chǎng)份額，這主要得益于該地區(qū)先進(jìn)的半導(dǎo)體制造能力和快速的技術(shù)進(jìn)步。

為何如此看好 Chiplets 市場(chǎng)？

用 10 年時(shí)間，從 31 億美元增長(zhǎng)到 1070 億美元的市場(chǎng)規(guī)模，這樣的增長(zhǎng)速度是很快的。那么，業(yè)界和機(jī)構(gòu)為何如此看好 Chiplets 的發(fā)展前景呢？原因是多方面的。

首先，從芯片設(shè)計(jì)和制造兩方面看一下 Chiplets 能夠提供的益處。

Chiplets 的迷人之處在于它的用途是多樣化的，關(guān)于這方面的情況，AMD 和英特爾經(jīng)常談及，采用 Chiplets 設(shè)計(jì)，可以更容易地為 HPC 應(yīng)用市場(chǎng)和客戶提供定制化解決方案。增加或減少處理器核心數(shù)量，或者將一個(gè) die 換成另一個(gè)更合適的 die 非常簡(jiǎn)單。例如，AMD 的服務(wù)器 CPU 不僅比臺(tái)式機(jī)型號(hào)擁有更多的 CPU Chiplets，還具有更大更好的 I/O 接口。AMD 還通過(guò)其 3D V-Cache 方案為處理器添加功能組件，從而為買(mǎi)家提供更多選擇。英特爾則表示，可以跨代重復(fù)使用 Chiplets，這是英特爾非?？粗氐膬?yōu)勢(shì)。

處理器在制造過(guò)程中會(huì)有缺陷，而且，芯片越大，就越容易出現(xiàn)缺陷，從而降低產(chǎn)量。而較小的芯片則不容易出現(xiàn)缺陷，因此，采用 Chiplets 方案，可以將傳統(tǒng) SoC 大芯片分化成多個(gè)小的 die，然后用先進(jìn)封裝組合在一起，這樣，可以在很大程度上節(jié)省制造成本。在具有高缺陷率的先進(jìn)制程工藝節(jié)點(diǎn)（5nm，3nm 等）上，這種效果更為明顯。

要實(shí)現(xiàn) 1070 億美元的市場(chǎng)規(guī)模，只有以上提到的設(shè)計(jì)和制造優(yōu)勢(shì)是不夠的，Chiplets 還必須在未來(lái)這些年充分發(fā)揮其多方面的優(yōu)勢(shì)，包括：要允許在單個(gè)芯片上集成更多種類(lèi)的微架構(gòu) die，其復(fù)雜程度會(huì)越來(lái)越高；充分發(fā)揮供應(yīng)鏈靈活性，Chiplets 的模塊化特性為供應(yīng)鏈提供了更大的靈活性，應(yīng)用廠商可以從不同的供應(yīng)商采購(gòu)不同的組件，從而減少對(duì)單一來(lái)源的依賴。

要想將 Chiplets 推向更高水平，需要產(chǎn)業(yè)鏈涉及的企業(yè)通力合作，該市場(chǎng)包括 Chiplets 提供商，系統(tǒng)集成商，以及參與設(shè)計(jì)和制造的公司。

AMD 是將 Chiplets 成功商業(yè)化的先驅(qū)。該公司在 2017 年采用多芯片模塊設(shè)計(jì)，推出了以 Zen 架構(gòu)為主的 Chiplets 處理器，其中，高端型號(hào)使用多個(gè) CPU die 來(lái)增加內(nèi)核數(shù)量，而不是通過(guò)單個(gè)更大的芯片實(shí)現(xiàn)。在 2019 年的 Zen 2 架構(gòu)產(chǎn)品中，AMD 將其 CPU 一分為二，一個(gè)是 CPU 內(nèi)核 Chiplets，另一個(gè)是 PCIe 接口和 RAM 連接器 Chiplets。之后這些年，該公司不斷更新相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)品，使得產(chǎn)品性能和市場(chǎng)影響力越辣越強(qiáng)。

AMD 取得成功后，英特爾一直在努力開(kāi)拓自家的 Chiplets 技術(shù)和市場(chǎng)空間，該公司稱之為 tiles，名字雖然不同，但意思是一樣的，也是 Chiplets。

除了 AMD 和英特爾，富士通（Fujitsu）和博通（Broadcom）等公司也在開(kāi)拓 Chiplets 應(yīng)用市場(chǎng)，進(jìn)行相關(guān)處理器的研發(fā)和制造工作。另外，蘋(píng)果（M1-Ultra CPU），以及中國(guó)的寒武紀(jì)（思遠(yuǎn) 370 系列 ASIC），壁仞科技（BR100 系列 GPU）也推出了自家的 Chiplets 產(chǎn)品。不過(guò)，AMD 和英特爾是迄今為止唯二兩家批量生產(chǎn) Chiplets 處理器的公司。

Chiplets 必須有先進(jìn)封裝技術(shù)的支持才行，目前，行業(yè)主要采用以下幾種封裝技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)：MCM（Multi-Chip Module），CoWoS（Chip-on-Wafer-on-Substrate），EMIB（Embedded Multi-die Interconnect Bridge）。

MCM 是指通過(guò) Substrate (封裝基板) 走線將多個(gè)芯片互聯(lián)的技術(shù)；CoWoS 是由臺(tái)積電主導(dǎo)的、基于 interposer (中間介質(zhì)層) 實(shí)現(xiàn)的 2.5D 封裝技術(shù)，其中，interposer 采用成熟制程工藝，可以提供比 MCM 更高密度和更大速率的接口。目前，主流的 CoWoS 技術(shù)包括 CoWoS-S、CoWoS-R 和 CoWoS-L；EMIB 是由英特爾主導(dǎo)的 2.5D 封裝技術(shù)，使用多個(gè)嵌入式橋接芯片 (Silicon Bridge) 實(shí)現(xiàn)芯粒間的高速互聯(lián)。

Chiplets 并不是萬(wàn)能的

雖然 Chiplets 很火熱，但要實(shí)現(xiàn)全行業(yè)的大規(guī)模量產(chǎn)還需要時(shí)間。此外，die 的良率、封裝良率、各種成本等，是采用該種方案的關(guān)鍵考量因素。只有在良率和成本等方面明顯優(yōu)于傳統(tǒng) SoC 方案時(shí)，才有采用 Chiplets 方案的必要，反之，還是老老實(shí)實(shí)地采用傳統(tǒng)芯片設(shè)計(jì)和制造方案為好。

是否用 Chiplets 方案，關(guān)鍵考量因素是成本。下面，我們用清華大學(xué)馬愷聲老師所著的《算一算 Chiplet 的成本！》一文所舉的例子加以說(shuō)明。

下面這這幅圖中的 9 個(gè)柱狀圖，都是 RE Cost（recurring engineering cost，不考慮一次性投入，生產(chǎn)一個(gè)芯片的成本），橫向分別是 14nm，7nm，5nm 制程，縱向是封裝到一起的 Chiplets 數(shù)量。

如果整個(gè)芯片面積在 200 平方毫米以下，則沒(méi)有必要用 Chiplets，真正有價(jià)值的是在 800 平方毫米以上的大芯片，因?yàn)槌杀旧鲜莿澦愕?。此外，先進(jìn)封裝需要大量測(cè)試，而且，最先進(jìn)的封裝都非常昂貴，甚至數(shù)倍于晶圓加工成本。未來(lái)，隨著封裝技術(shù)不斷成熟和成本的下降，Chiplets 有望拓展出更多應(yīng)用空間。目前，MCM 和 InFO 封裝成本相對(duì)較低，更劃算。

在 800 平方毫米的大芯片中，晶圓缺陷導(dǎo)致的額外成本占總制造成本的 50% 以上，對(duì)于相對(duì)成熟的制程工藝（14nm），盡管產(chǎn)量的提高也節(jié)省了 35% 左右的成本，但考慮到封裝開(kāi)銷(xiāo)（MCM>25%，2.5D>50%) 及其它成本，Chiplets 的成本優(yōu)勢(shì)被減弱了。因此，制程工藝越先進(jìn)（如 5nm、3nm），且采用的先進(jìn)制程 die 越多，就越適合采用 Chiplets 方案，此時(shí)的成本優(yōu)勢(shì)非常明顯。

一次性投入的成本也很重要，特別是對(duì)于沒(méi)有大規(guī)模量產(chǎn)的產(chǎn)品。做先進(jìn)制程工藝的 die，需要投入的一次性成本是很高的，如流片時(shí)掩膜板的成本，因此，Chiplets 方案需要的一次性總投入很高（50 萬(wàn)產(chǎn)量時(shí)占到總成本的 36%)。對(duì)于 5nm 制程系統(tǒng)，當(dāng)產(chǎn)量達(dá)到 2000 萬(wàn)時(shí)，采用 Chiplets 方案才劃算。有一點(diǎn)需要注意，那就是一次性投入成本可以隨著 Chiplets 的復(fù)用，獲得很大收益。

綜合考慮成本、性能等多方面因素，Chiplets 最大的應(yīng)用場(chǎng)景是需要采用異質(zhì)集成的應(yīng)用，例如將 CPU、GPU 與 DRAM 集成，以克服存儲(chǔ)墻；其次是體積嚴(yán)重受限的應(yīng)用，例如在手機(jī)中，通過(guò) Chiplets 將多個(gè) die 集成在一起，以減小體積；再有，就是使用環(huán)境惡劣的場(chǎng)景，例如汽車(chē)、工業(yè)控制、物聯(lián)網(wǎng)等。

存在的挑戰(zhàn)

要想發(fā)展到 1070 億美元的市場(chǎng)規(guī)模，并不會(huì)一帆風(fēng)順，這一過(guò)程中，Chiplets 會(huì)遇到諸多挑戰(zhàn)。其中，標(biāo)準(zhǔn)化和互操作性是最大挑戰(zhàn)，Chiplets 市場(chǎng)的增長(zhǎng)在一定程度上受到不同制造商組件之間標(biāo)準(zhǔn)化和互操作性需求的影響，因此，建立全行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于 Chiplets 的廣泛采用至關(guān)重要。

目前，各大芯片廠商在 Chiplets 接口的互聯(lián)協(xié)議上各自為戰(zhàn)，每家公司選擇不同的技術(shù)線路和標(biāo)準(zhǔn)，往往是基于公司過(guò)往的技術(shù)積累，并不能通用，碎片化、定制化的接口標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于 Chiplets 行業(yè)發(fā)展極為不利。為了解決這一難題，2022 年 3 月，英特爾、AMD、臺(tái)積電、微軟、Arm 等十大行業(yè)巨頭宣布成立 UCIe 聯(lián)盟。

今后，很可能會(huì)出現(xiàn)一種新的商業(yè)模式，即通過(guò)集成標(biāo)準(zhǔn) Chiplets 來(lái)構(gòu)建專(zhuān)用芯片，這也是一些國(guó)際大廠打造 Chiplets 標(biāo)準(zhǔn)的原因。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)立，可以把自家生產(chǎn)的芯片變成 Chiplets 企業(yè)使用的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，集成到各種應(yīng)用設(shè)備中。

除了標(biāo)準(zhǔn)和互操作性，Chiplets 還面臨著芯片設(shè)計(jì)和驗(yàn)證工具更新，以及先進(jìn)封裝技術(shù)升級(jí)的挑戰(zhàn)。

從設(shè)計(jì)的角度來(lái)看，Chiplets 系統(tǒng)在復(fù)雜度提升的同時(shí)，成品率反而在下降，而且，Chiplets 的性能最終取決于性能最高的那個(gè)。這對(duì)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證提出了新的要求，由于 Chiplets 間的堆疊和互聯(lián)，設(shè)計(jì)時(shí)不僅要考慮不同的制程工藝、不同架構(gòu)的集成，還要加入高速互聯(lián)總線和各類(lèi)接口，相比于傳統(tǒng)大芯片設(shè)計(jì)，Chiplets 方案對(duì) EDA 軟件的要求明顯不同，目前，全球三大 EDA 軟件廠商已經(jīng)在布局對(duì)應(yīng)的平臺(tái)，相關(guān)的技術(shù)融合和行業(yè)并購(gòu)正在或即將進(jìn)行。

傳統(tǒng)封裝一般通過(guò)線路焊接的方式進(jìn)行，為保證 Chiplets 之間更快的互聯(lián)速度，會(huì)采用 2.5D/3D 等無(wú)需線路焊接的先進(jìn)封裝方式；從 2D、2.5D 到 3D，可以理解為平面上建高樓，樓建的越高，住的人也越多，能裝下的晶體管也更多。封裝技術(shù)的發(fā)展也要跟上市場(chǎng)需求，否則，Chiplets 的價(jià)值會(huì)大打折扣。

中國(guó)要大力發(fā)展 Chiplets 嗎？

中國(guó)也在積極發(fā)展 Chiplets，為此，中國(guó) Chiplets 聯(lián)盟推出了相應(yīng)的互連接口標(biāo)準(zhǔn) ACC 1.0（Advanced Cost-driven Chiplet Interface 1.0），它由一批專(zhuān)門(mén)從事芯片設(shè)計(jì)，IP，以及封裝、測(cè)試和組裝服務(wù)的公司開(kāi)發(fā)。該組織強(qiáng)調(diào)，中國(guó)產(chǎn)業(yè)鏈上的供應(yīng)商需要合作，以建立一個(gè)完整的 Chiplets 生態(tài)系統(tǒng)。

對(duì)于發(fā)展 Chiplets，中國(guó)也需要理性對(duì)待，不能一哄而上，因?yàn)樗膽?yīng)用是有前提的，如前文所述，Chiplets 并不是萬(wàn)能的，它更適合以先進(jìn)制程（5nm 及以下）為主導(dǎo)的芯片產(chǎn)品，就目前而言，中國(guó)大陸在這方面還比較弱。

對(duì)于發(fā)展本土 Chiplets 技術(shù)和產(chǎn)品，清華大學(xué)教授魏少軍認(rèn)為，要從應(yīng)用的角度去考慮如何采用第三方 Chiplets 來(lái)實(shí)現(xiàn)集成，重點(diǎn)是 Chiplets 的集成而不是設(shè)計(jì)，采用業(yè)界成熟的標(biāo)準(zhǔn)成為必然。是否要制定中國(guó)自己的標(biāo)準(zhǔn)，取決于產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需求，更取決于自身產(chǎn)業(yè)發(fā)展的水平，魏少軍直言，超出產(chǎn)業(yè)發(fā)展的實(shí)際情況制定標(biāo)準(zhǔn)，通常會(huì)落入「為了標(biāo)準(zhǔn)而標(biāo)準(zhǔn)」的陷阱。

魏少軍表示，中國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)總體上還處在追趕階段，Chiplets 的出現(xiàn)并不能帶來(lái)這一態(tài)勢(shì)的根本改變。我們用到的 Chiplets 和相應(yīng)的 EDA 工具依然要依賴國(guó)外廠商，更為悲觀的看法是 Chiplets 的出現(xiàn)會(huì)使中國(guó)企業(yè)在價(jià)值鏈上的位置進(jìn)一步下移，這樣，過(guò)去 20 年在芯片設(shè)計(jì)上的積累會(huì)被削弱。不過(guò)，魏少軍也指出，中國(guó)企業(yè)也可以在 Chiplets 領(lǐng)域有所作為，例如，可以借助 Chiplets 更快地發(fā)展應(yīng)用，能促使中國(guó)企業(yè)向標(biāo)準(zhǔn) Chiplets 方向轉(zhuǎn)型。