Chiplet，半導體能否實現(xiàn)彎道超車？

本期導讀

摩爾定律是半導體圈廣為人知的一條定律。在很多年前，它似是一條“鐵律”指引著社會走向科技文明。然而近幾年無論是前沿技術的快速創(chuàng)新需求，還是制造工藝無限逼近臨點的物理限制，都仿佛在預示著摩爾定律即將走向終結(jié)。

盡管人們嘗試了增加更多的核心、驅(qū)動芯片內(nèi)部的線程，又或是利用加速器等各種手段來跟上摩爾定律的步伐，但似乎還是無法規(guī)避它的衰敗。于是Chiplet（芯粒）便在人們的希冀目光之下閃亮登場，為摩爾定律唱衰提供了新論調(diào)。

據(jù)相關消息稱，為了加快Chiplet的安全化與可行性，歐洲正在加速推動Chiplet新標準。近期德國乃至歐洲最大的應用科學研究機構(gòu)——弗勞恩霍夫協(xié)會啟動一項名為“新型可信賴電子產(chǎn)品分布式制造”的研究項目，旨在為Chiplet產(chǎn)品的設計與封裝創(chuàng)建安全性標準。

究竟什么是Chiplet？它又有什么獨特魔力能讓歐洲為之大費周章創(chuàng)建新標準呢？

Chiplet概念源于Marvell創(chuàng)始人周秀文博士在ISSCC 2015上提出的Mochi（Modular Chip，模塊化芯片）架構(gòu)，經(jīng)過幾年的發(fā)展，Chiplet的概念逐漸成熟，它被解釋為一種功能電路塊，也被稱“小芯片”或“芯?！?。按工作原理來說，該技術能將一個功能豐富且面積較大的芯片裸片（die）拆分成多個芯粒并使預先生產(chǎn)好的芯粒組合在一起，再通過先進封裝的形式（比如3D封裝）集成封裝在一起，從而組成一個性能更加先進的系統(tǒng)芯片。

作為擁有光明未來的跨時代技術，Chiplet包含著三大顯著優(yōu)勢：

1、大幅度提升成品芯片的良品率

在整個芯片晶體管數(shù)量暴漲的背景下，Chiplet設計可將超大型的芯片按照不同的功能模塊來切割成獨立的小芯片后再進行分開制造，這種方式既能有效改善良品率，也能夠有效降低成本。

2、降低芯片設計的復雜程度和設計成本

在芯片設計階段，將大規(guī)模的SoC按照不同的功能模塊分解成一個個的芯粒，部分芯?？梢宰龅筋愃颇K化的設計，可以重復運用以大幅度降低芯片的設計難度和設計成本，有利于后續(xù)產(chǎn)品的迭代，加速產(chǎn)品的上市周期。

3、降低芯片的制造成本

將SoC進行Chiplet化之后，不同的芯?？筛鶕?jù)需要來選擇合適的工藝制程進行獨立制造，再通過先進封裝技術進行組裝。

憑借著上述優(yōu)勢，有望延續(xù)摩爾定律經(jīng)濟效益的Chiplet已被公認為后摩爾時代半導體產(chǎn)業(yè)的最優(yōu)解集之一。在此趨勢下，眾多芯片巨頭紛紛入局Chiplet市場，在產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)的共同推進下，Chiplet已經(jīng)加速進入商業(yè)應用。從某角度上來看，AMD使用Chiplet概念也許是目前最成功的案例。2017年，AMD推出了其初代Epyc服務器處理器Naples，在單個封裝中具有4個同類的CPU；到2019年AMD又推出了第二代EPYC處理器Rome，其使用了8塊CPU芯片，這些芯片使用的是14nm工藝，而內(nèi)部封裝的CPU Chiplet使用7nm晶體管來提高速度和效率，其處理器性能是當時英特爾同類產(chǎn)品的兩倍以上。借由Chiplet的優(yōu)勢，今年2季度AMD的CPU市占率已達到31.4%（往年同期為25.3%）。

除了AMD之外，英特爾、三星等多家公司都相繼創(chuàng)建自身的Chiplet生態(tài)系統(tǒng)并獲得了巨大的產(chǎn)品價值和收益。2022年3月，蘋果自研的M1 Ultra將Chiplet再次推上風口浪尖，采用Chiplet設計的M1芯片大獲成功，革新了個人電腦產(chǎn)業(yè)。

為了推進Chiplet在行業(yè)中的應用，AMD、Google云、ARM、微軟、Meta、高通等行業(yè)巨頭于今年3月共同成立了行業(yè)聯(lián)盟，正式推出通用Chiplet的標準規(guī)范“UCIe”，而后聯(lián)盟成員不斷擴大。截至目前，UCIe聯(lián)盟已經(jīng)吸納了12家行業(yè)巨頭，并成立了6個工作組，旨在打造更全面的Chiplet生態(tài)系統(tǒng)。

誠然，Chiplet擁有著廣闊的市場應用前景，但也給人們提出了新的技術難題，如何讓多個芯?；ヂ?lián)起來并最終異構(gòu)集成成為一個大芯片是行業(yè)目前亟待解決的問題，這個問題主要體現(xiàn)在以下兩個方面。

1、互聯(lián)

如何讓芯粒之間高速無縫互聯(lián)，是Chiplet技術落地的關鍵。芯片設計公司在設計芯粒之間的互聯(lián)接口時，需要保證高數(shù)據(jù)吞吐量，且要保障低數(shù)據(jù)延遲和低誤碼率，同時也需考慮能效與連接距離。

2、封裝

如何把多個Chiplet有效封裝起來，且能在最大程度上解決散熱問題是至關重要的。熱量的來源主要有以下三個地方，一是封裝體內(nèi)總熱功耗提升；二是芯片采用2.5D/3D堆疊，增加了垂直路徑熱阻；三是更復雜的SiP在跨尺度與多物理場情況下熱管理設計更加復雜。

隨著摩爾定律帶來的經(jīng)濟效應越來越低，Chiplet技術將成為未來芯片開發(fā)的主流方向，Chiplet市場前景一片大好。根據(jù)研究機構(gòu)Omdia的報告顯示，2024年采用Chiplet的處理器芯片的全球市場規(guī)模將達58億美元，到2035年將達到570億美元。

不可否認，芯片在一定程度上擔任著人類科技的“拓荒者”，帶領著人類一步一步丈量高科技山峰，而如今Chiplet有望賦予芯片更加旺盛強大的生命力，讓人類能夠繼續(xù)依靠不斷“進化”的芯片來獲得探索科技的更多機會。而Chiplet能推動科技發(fā)展到什么程度我們還不得而知，就讓時間給我們答案吧。

審核編輯：湯梓紅