半導體Chiplet技術的優(yōu)點和缺點

現在半導體領域中有一個前沿方向叫Chiplet(芯粒)技術，就是將以往偌大無比的一個SOC整體系統(tǒng)，切割分成眾多獨立功能的小芯片部件。這些擁有獨立功能的小部件可以互相組合，相互復用，更加方便的定制組合成為特定功能的大系統(tǒng)。那么半導體Chiplet技術分別有哪些優(yōu)點和缺點呢?

一、核心結論

1. 先進制程受限，先進封裝/Chiplet提升算力，必有取舍。

在技術可獲得的前提下，提升芯片性能，先進制程升級是首選，先進封裝則錦上添花。

2. 大功耗、高算力的場景，先進封裝/Chiplet有應用價值。

3. 我國先進制程產能儲備極少，先進封裝/Chiplet有助于彌補制程的稀缺性。

先進封裝/Chiplet可以釋放一部分先進制程產能，使之用于更有急迫需求的場景。

二、用面積和堆疊跨越摩爾定律限制

芯片升級的兩個永恒主題：性能、體積/面積。芯片技術的發(fā)展，推動著芯片朝著高性能和輕薄化兩個方向提升。而先進制程和先進封裝的進步，均能夠使得芯片向著高性能和輕薄化前進。面對美國的技術封裝，華為難以在全球化的先進制程中分一杯羹，手機、HPC等需要先進制程的芯片供應受到嚴重阻礙，亟需另辟蹊徑。而先進封裝/Chiplet等技術，能夠一定程度彌補先進制程的缺失，用面積和堆疊換取算力和性能。

先進制程受限，先進封裝/Chiplet提升算力，必有取舍。

三、何謂先進封裝?

先進封裝是對應于先進圓晶制程而衍生出來的概念，一般指將不同系統(tǒng)集成到同一封裝內以實現更高效系統(tǒng)效率的封裝技術。換言之，只要該封裝技術能夠實現芯片整體性能(包括傳輸速度、運算速度等)的提升，就可以視為是先進封裝。傳統(tǒng)的封裝是將各個芯片單獨封裝好，再將這些單獨的封裝芯片裝配到PCB主板上構成完整的系統(tǒng)，芯片間的信息交換屬于PCB級的互連(interconnect)，又稱板級互連;或者將不同的芯片貼裝到同一個封裝基板Substrate上，再完成系統(tǒng)級的封裝，芯片間的通訊屬于Substrate級的互連。這兩種形式的封裝互連技術，芯片間的信息傳輸需要通過PCB或Substrate布線完成。理論上，芯片間的信息傳輸距離越長，信息傳遞越慢，芯片組系統(tǒng)的性能就越低。因此，同一芯片水平下，PCB級互連的整體性能比Substrate級互連的性能弱。

在摩爾定律失效之前，芯片系統(tǒng)性能的提升可以完全依賴于芯片本身制程提升(制程提升使得芯片集成晶體管數量提升)。但隨著摩爾定律失效，芯片制程提升速度大大放緩，芯片系統(tǒng)性能的提升只能通過不斷優(yōu)化各個芯片間的信息傳輸效率，圓晶Wafer級封裝互連技術的價值凸顯。

Wafer級的封裝互連技術，將不同的SoC集成在TSV(硅通孔技術：Through silicon via)內插板(interposer)上。Interposer本身材料為硅，與SoC的襯底硅片相同，通過TSV技術以及再布線(RDL)技術，實現不同SoC之間的信息交換。換言之，SoC之間的信息傳輸是通過Interposer完成。Interposer再布線采用圓晶光刻工藝，比PCB和Substrate布線更密集，線路距離更短，信息交換更快，因此可以實現芯片組整體性能的提升。圖XX示例為CoWoS封裝(Chip on Wafer on Substrate),CPU/GPU die與Memory die通過interposer實現互連，信息直接通過interposer上的RDL布線傳輸，不經過Substrate或PCB，信息交換快，系統(tǒng)效率高。

從半導體制程進入10nm以來，摩爾定律已經失效，即芯片迭代不再滿足“集成電路芯片上所集成的晶體管數目，每隔18個月就翻一番;微處理器的性能每隔18個月提高一倍，而價格下降一倍”。在后摩爾定律時代，對于“more than moore”的延續(xù)，先進封裝是業(yè)界公認的有效途徑。

四、何謂Chiplet?

Chiplet即小芯片之意，指在晶圓端將原本一顆“大”芯片(Die)拆解成幾個“小”芯片(Die)，因單個拆解后的“小”芯片在功能上是不完整的，需通過封裝，重新將各個“小”芯片組合起來，功能上還原原來“大”芯片的功能。Chiplet可以將一顆大芯片拆解設計成幾顆與之有相同制程的小芯片，也可以將其拆解成設計成幾顆擁有不同制程的小芯片。

Chiplet可以提升芯片制造的良率。對于晶圓制造工藝而言，芯片面積(Die size)越大，工藝的良率越低?？梢岳斫鉃椋科瑆afer上都有一定概率的失效點，對于晶圓工藝來說，在同等技術條件下難以降低失效點的數量，如果被制造的芯片，其面積較大，那么失效點落在單個芯片上的概率就越大，因而良率就越低。如果Chiplet的手段，將大芯片拆解分割成幾顆小芯片，單個芯片面積變小，失效點落在單個小芯片上的概率將大大降低。芯片面積Die size與良率成反比。

五、先進制程和先進封裝，對芯片性能、輕薄化的提升，孰更顯著?

在提升芯片性能方面，先進制程路線是通過縮小單個晶體管特征尺寸，在同等芯片面積(Die size)水平下，提升晶體管集成度(同等設計框架，芯片性能/算力與晶體管數目正相關);而先進封裝并不能改變單個晶體管尺寸，只能從系統(tǒng)效率提升的角度，一是讓CPU更靠近Memory，讓“算”更靠近“存”，提升每一次計算的算存效率。二是讓單個芯片封裝內集成更多的元件：信號傳輸速度排序，Wafer > IC substrate > PCB，元件在芯片內部的通訊效率比在板級上更高，從系統(tǒng)層面提升芯片性能。

在芯片輕薄化方面，在不犧牲芯片整體性能的前提下，先進制程能夠在算力和晶體管數目不變時，通過縮小單個晶體管特征尺寸，實現芯片面積(Die size)縮小;而先進封裝，因為封裝對晶體管尺寸無微縮的能力，只能通過更精細的材料、更致密的結構來實現輕薄化。比如，手機AP處理器的封裝多采用FCCSP的封裝形式，其結構包括一個CSP載板，而Fanout(TSMC與APPLE公司合作，APPLE公司的A系列芯片多采用InFO技術封裝，即Fannout)封裝，取消了CSP載板(CSP載板約0.3 mm厚度)，封裝后的芯片更輕薄，對整機(手機)結構空間余量有重要提升。

在高性能和輕薄化兩個方向上，先進制程可以做到兼顧，而先進封裝則有取舍。比如，APPLE的A系列芯片，從A10升級到A11時，由16 nm工藝提升至10 nm工藝，芯片面積從125 mm2減小至88 mm2，而晶體管集成數則由33億顆增加至43億顆;A系列芯片從A13升級到A14時，晶圓工藝從7nm升級到5nm，芯片面積從98 mm2減小至88 mm2，而晶體管集成數則由85億顆增加至118億顆，做到了性能提升和輕薄化的兼顧。而先進封裝，要做到芯片性能提升，因為封裝對晶體管尺寸微縮沒有效果，提升性能一是增加芯片內部各元件的協作效率，二是往一個系統(tǒng)中堆疊更多的元件(本質上也是提升了系統(tǒng)內的晶體管數據)，代價就是系統(tǒng)體積、面積更為龐大，即先進封裝提升性能的代價是犧牲輕薄，實現輕薄的代價是犧牲性能的提升。

在技術可獲得的前提下，提升芯片性能，先進制程升級是首選，先進封裝則錦上添花。通常我們可以見到的是，高性能、大算力的芯片，會考慮上先進封裝(2.5D、CoWoS等)，但這些大算力芯片往往也同時采用了先進制程工藝，也就是說，先進封裝/Chiplet應用通常只出現在頂級的旗艦芯片的封裝方案選擇中，并不是一個普適性的大規(guī)模應用方案。比如寒武紀的7 nm AI訓練芯片思元290，從芯片宣傳圖片可以看出，其可能采用“1+4”架構，即1顆CPU/GPU搭配4顆HBM存儲的Chiplet封裝形式，該芯片也是寒武紀的旗艦芯片產品之一;華為海思昇騰910芯片，采用7 nm的先進制程工藝，從宣傳圖可以看出，也是采用了多顆芯片堆疊的CoWoS結構，也系Chiplet的一種形式。這些芯片都是在擁有先進制程的基礎上，為了進一步提升芯片性能，而采用了CoWoS這些2.5D先進封裝技術，說明了先進制程在工藝路線的選擇上是優(yōu)于先進封裝的，先進制程是升級芯片性能的首選，先進封裝則是錦上添花。

五. 大功耗、高算力的場景，先進封裝/Chiplet有應用價值

在先進制程不可獲得的情況下，通過芯片堆疊(先進封轉/Chiplet)和計算架構重構，以維持產品性能。以APPLE的A系列芯片參數為例，A12、A10、A7芯片分別采用7 nm、14/16 nm(Samsung 14 nm、TSMC 16 nm)、28 nm制程。A系列的手機AP芯片，通常芯片面積(Die Size)在約100 mm2大小。在這100 mm2大小的芯片上， A12、A10、A7芯片分別集成了約69億、33億、10億顆晶體管。下面，我們簡單進行算術換算，討論降制程如何維持芯片的算力。如果芯片工藝從7 nm降至14 nm，A12芯片上7nm工藝集成69億顆晶體管，如果用14 nm工藝以試圖達到接近的算力，首先要保證晶體管數目與A12芯片一致，即~70億顆，且在未考慮制程提升對單個晶體管性能有顯著提升的背景下，14 nm工藝的芯片需要兩倍于7 nm工藝的面積，即~200 mm2;如果芯片工藝從7 nm降至28 nm，參考28 nm的A7芯片只集成了10億顆晶體管，如果要達到70億晶體管數目，則需要將芯片面積擴大至~700 mm2。芯片面積越大，工藝良率越低，在實際制造中得到的單顆芯片的制造成本就越高，因此，在先進制程不可獲得的背景下，降制程而通過芯片堆疊的方式，的確可以一定程度減少算力劣勢，但是因為堆疊更多芯片，需要更大的IC載板、更多的Chiplet小芯片、更多的封裝材料，也導致因為制程落后帶來的功耗增大、體積/面積增加、成本的增加。因此，比如，通過14 nm的兩顆芯片堆疊，去達到同樣晶體管數目的7 nm芯片性能;通過多顆28 nm的芯片堆疊，去達到14 nm芯片性能。此種堆疊方案在HPC(服務器、AI推理)、基站類大芯片領域可能有適用價值，但對于消費電子領域如手機AP芯片和可穿戴芯片，在其應用場景對空間體積有嚴苛約束的條件下，芯片堆疊則較難施展。

六. 我國先進制程產能儲備極少，先進封裝/Chiplet有助于彌補制程的稀缺性

尖端科技全球化已死，大陸先進制程的產能極為稀缺、緊缺。按不同晶圓尺寸統(tǒng)計，大陸6英寸晶圓產能已占全球近一半，而12英寸產能僅為全球約10%。按不同制程統(tǒng)計，大陸90 nm以上制程占全球約20%，20-90 nm制程占全球約10%，20 nm以下制程僅占全球約1%。大陸高端制程占比低，產業(yè)結構存在明顯短板，未來擴產空間大。高端制程擴產投入大，3 nm制程芯片每萬片產能的投資約100億美元，遠高于28 nm制程芯片每萬片約7億美元的投資。彌補大陸晶圓產業(yè)結構短板，需重點投資高端制程晶圓制造產能，既需要完成技術攻關，又需要大額投資支持，任重而道遠。

七、結語

先進封裝/Chiplet可以釋放一部分先進制程產能，使之用于更有急迫需求的場景。從上文分析可見，通過降制程和芯片堆疊，在一些沒有功耗限制和體積空間限制、芯片成本不敏感的場景，能夠減少對先進制程的依賴?？梢詫斚掠邢薜南冗M制程產能，以更高的戰(zhàn)略視角，統(tǒng)一做好規(guī)劃，應用在更需要先進工藝的應用需求中。