自遵循IBM的要求，將X86架構(gòu)和產(chǎn)品授權(quán)AMD以來，英特爾和AMD就成為了處理器領(lǐng)域當(dāng)之無愧的巨頭。尤其在PC時代，這兩者幾無競爭對手，他們也一直引領(lǐng)著芯片設(shè)計。

雖然錯過了手機(jī)時代，但現(xiàn)在的服務(wù)器和AI時代，這兩家半導(dǎo)體“老兵”有了廣大的發(fā)揮之地。為了滿足終端的需求，他們也在自己的芯片設(shè)計和制造上各出奇招。例如，Chiplet正在成為他們的下一個戰(zhàn)場。

繼該領(lǐng)域的先驅(qū) AMD 之后，英特爾在日前的Intel Innovation活動上也宣布推出基于 Chiplet 的產(chǎn)品 Meteor Lake。據(jù)介紹，Meteor Lake 的結(jié)構(gòu)結(jié)合了 5 種類型的tile：當(dāng)中包括了4 種類型的tile（CPU/IO/圖形/SoC）以及位于所有這些tile之下的基本tile。從這顆芯片開始，我們正式見證了英特爾全面進(jìn)入Chiplet時代。

延續(xù)“摩爾定律”經(jīng)濟(jì)成本高企，小芯片技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生

英特爾公司創(chuàng)始人之一戈登·摩爾曾發(fā)表“摩爾定律”，指出“在成本不變時，集成電路上可以容納的晶體管數(shù)目每經(jīng)過約18個月至24個月便會增加一倍”。這一判斷在很長時間內(nèi)都準(zhǔn)確預(yù)判芯片技術(shù)進(jìn)展——芯片尺寸縮小、晶體管密度增加，且功耗降低。然而，隨著芯片制程逐漸升級至約28nm時，提高晶體管密度的成本升高、設(shè)計復(fù)雜性增加且開發(fā)周期變長，這意味著芯片開發(fā)和制造成本開始逐漸上升。并非所有廠商都有能力負(fù)擔(dān)高昂的研發(fā)費(fèi)用，很長一段時間內(nèi)都僅有三星和臺積電兩家廠商成功將10nm以下的制程技術(shù)推向市場。這意味著“摩爾定律”在經(jīng)濟(jì)性上出現(xiàn)了一定程度的失靈。

在此背景下，小芯片技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，通過將不同制程節(jié)點(diǎn)的多個單一功能的小芯片模塊化拼搭，從而實(shí)現(xiàn)更優(yōu)經(jīng)濟(jì)成本。2015年，美國美滿電子科技公司（Marvell）提出模塊化芯片（Modular Chip，Mochi）概念，旨在拆分SoC芯片的功能，以模塊化的形式構(gòu)建芯片模組，從而實(shí)現(xiàn)更低的設(shè)計與生產(chǎn)成本。隨后，AMD公司以平衡性能、功耗和成本為目標(biāo)推出模塊化處理器芯片“霄龍”（EPYC），使其成為當(dāng)時功能集成度最高的芯片。同時，AMD公司提出“性能/瓦”（performance/W）和“性能/美元”（performance/$）等芯片經(jīng)濟(jì)性衡量標(biāo)準(zhǔn)。

在小芯片技術(shù)出現(xiàn)前，廠商普遍采用SoC的方式，將多個面向不同類型計算任務(wù)的計算單元，通過光刻的形式制作到同一塊晶圓上，包括中央處理器（CPU）、圖形處理器（GPU）、數(shù)字信號處理器（DSP）、圖像信號處理器（ISP）等眾多的不同功能的計算單元，以及諸多的接口IP，其追求的是高度的集成化，利用先進(jìn)制程對所有的單元進(jìn)行全面的提升。這需要將多個負(fù)責(zé)不同類型計算任務(wù)的計算單元，通過光刻的形式制作到同一塊芯片上，因而成本高企、開發(fā)難度極大。

而小芯片系統(tǒng)顛覆了上述開發(fā)流程，將一塊原本復(fù)雜的SoC芯片進(jìn)行解構(gòu)，根據(jù)功能需求來選擇不同的計算單元或功能單元，并為不同單元分配最合適的制程節(jié)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計和制造。最后，通過先進(jìn)封裝技術(shù)將各個單元彼此互連，集成封裝為一個系統(tǒng)級芯片組，有效降低了芯片系統(tǒng)的復(fù)雜度和開發(fā)成本。

相比于SoC，小芯片具有以下優(yōu)點(diǎn)。一是可重用知識產(chǎn)權(quán)（IP）：同一個小芯片可用于許多不同的設(shè)備。二是異構(gòu)集成：小芯片可以用不同的工藝、材料和制程節(jié)點(diǎn)制造，針對其特定功能進(jìn)行優(yōu)化。三是高良率：可以在組裝前測試每個小芯片，提高最終器件的良率。


中美開啟Chiplet競速

8月上旬，由英特爾、AMD、高通和英偉達(dá)等芯片巨頭發(fā)起成立的全球Chiplet生態(tài)聯(lián)盟UCIe，公布1.1規(guī)范版本更新，稱建立Chiplet生態(tài)合規(guī)和互操作性測試要求，并首次成立汽車工作組推進(jìn)Chiplet在車芯上落地。早前，AMD發(fā)布了全球首個CPU（中央處理器）與GPU（圖形處理器）耦合、擁有1460億晶體管的 AI 加速芯片Instinct MI300，利用13個Chiplet實(shí)現(xiàn)性能提升，超越英偉達(dá)產(chǎn)品，計劃今年下半年量產(chǎn)。

與此同時，中國也在積極Chiplet技術(shù)生態(tài)布局。近日，無錫市創(chuàng)投、無錫錫東新城商務(wù)區(qū)管委會、清源投資、無錫芯光互連技術(shù)研究院四方共同發(fā)起成立“芯光互連產(chǎn)業(yè)基金”，這是國內(nèi)首個重點(diǎn)關(guān)注Chiplet芯片設(shè)計的垂直性產(chǎn)業(yè)基金項目，并啟動國內(nèi)Chiplet開發(fā)者大賽，推進(jìn)國內(nèi)Chiplet技術(shù)的應(yīng)用落地。

“Chiplet熱潮在全世界就兩個國家，一個是美國，一個是中國?！敝袊こ淘涸菏吭S居衍8月10日表示，Chiplet技術(shù)將改變芯片設(shè)計、電子系統(tǒng)的“設(shè)計范式”，不僅使設(shè)計電路如同“搭積木”成為可能，而且有利于集成電路應(yīng)用創(chuàng)新。

中國計算機(jī)互連技術(shù)聯(lián)盟秘書長郝沁汾 對鈦媒體App表示，Chiplet技術(shù)涉及到芯片全產(chǎn)業(yè)鏈，國內(nèi)包括設(shè)計、EDA/IP、封裝和制造環(huán)節(jié)的企業(yè)都在積極關(guān)注Chiplet技術(shù)進(jìn)展，成熟工藝和Chiplet技術(shù)結(jié)合，在某些應(yīng)用領(lǐng)域能夠接近或替代傳統(tǒng)7nm、5nm先進(jìn)制程芯片的技術(shù)效果。

許居衍院士強(qiáng)調(diào)，“中國Chiplet的開放大有可為?！?/span>


規(guī)模將超4000億，中國同時面臨機(jī)遇與挑戰(zhàn)

Chiplet即“小芯片”或“芯?！?，是芯片制造領(lǐng)域近年備受熱議的技術(shù)路線，通過把不同芯片的能力模塊化，利用新的設(shè)計、互連接口、封裝等技術(shù)，在一個封裝的產(chǎn)品中使用來自不同技術(shù)、不同制程甚至不同工廠的芯片，從而不僅滿足多元化、差異化市場需求，還能顯著降低芯片開發(fā)成本。

早至上世紀(jì)70年代，業(yè)界就有與Chiplet類似的“多芯片模組”（MCM）概念，后拓展為“多芯片封裝協(xié)議”（MCP）、“多元件集成電路”（MCO）等。后來，Chiplet概念由美國半導(dǎo)體公司Marvell創(chuàng)始人周秀文（Sehat Sutardja）于2015年提出的模塊化芯片架構(gòu)演化而來，AMD率先將其應(yīng)用于服務(wù)器芯片設(shè)計。

實(shí)際上，從16nm/14nm節(jié)點(diǎn)開始，芯片設(shè)計和制造成本飆升，一個完全規(guī)模化工藝點(diǎn)的更新周期從18個月延長到30個月甚至更長，半導(dǎo)體工藝技術(shù)發(fā)展帶來的功耗、性能和面積（PPA）收益下降。如今最先進(jìn)的芯片有數(shù)十億個晶體管，但芯片的擴(kuò)展變得越來越困難，而且擴(kuò)展所帶來的價格、性能和功率優(yōu)勢的縮減速度都快于晶體管，尤其超過3nm之后，F(xiàn)inFET（鰭式場效晶體管）技術(shù)將失去動力。

同時在價格方面，芯片成本隨著制程工藝升級不斷增加。以先進(jìn)工藝節(jié)點(diǎn)處于主流應(yīng)用時期的設(shè)計成本為例，工藝節(jié)點(diǎn)為28nm時，單顆芯片設(shè)計平均成本約為4000萬美元，7nm芯片的設(shè)計成本為2.17億美元，5nm芯片的設(shè)計成本為4.16億美元，3nm的設(shè)計將耗資5.9億美元。

因此，考慮到整個芯片制造成本與功效等因素，將一個較大的芯片分解成多個更小的芯片，并根據(jù)需要進(jìn)行混合和匹配的成本更低，產(chǎn)量更高的Chiplet應(yīng)運(yùn)而生。

據(jù)研究機(jī)構(gòu)Omdia的數(shù)據(jù)預(yù)計，到2024年，Chiplet的市場規(guī)模將達(dá)到58億美元，是2018年6.45億美元規(guī)模的9倍；到2035年，市場規(guī)模將進(jìn)一步擴(kuò)大到570億美元（約合人民幣4151.08億元）以上，是2018年規(guī)模的88倍。預(yù)計Chiplet技術(shù)將迎來廣闊的發(fā)展空間。

據(jù)鈦媒體App的統(tǒng)計，目前國內(nèi)從事Chiplet相關(guān)研發(fā)的企業(yè)和機(jī)構(gòu)主要包括四類：

一是做計算芯片設(shè)計的企業(yè)，例如寒武紀(jì)、壁仞科技、瑞芯微電子（Rockchip）等；

二是以芯原股份、芯耀輝、芯和半導(dǎo)體等 EDA/IP（知識產(chǎn)權(quán)）企業(yè)；

三是一批新興的專為企業(yè)提供Chiplet設(shè)計方案的封裝設(shè)計服務(wù)公司，例如奇異摩爾等；

四是后端封測制造企業(yè)，例如長電科技、華天科技、通富微電、甬矽電子等公司。

而且，Chiplet標(biāo)準(zhǔn)方面也備受關(guān)注，國內(nèi)主要包括中科院計算所，工信部電子標(biāo)準(zhǔn)院，以及華為、中興等多家中國企業(yè)和科研院所。

國外則主要是UCIe聯(lián)盟，發(fā)起成員包括AMD、Arm、日月光（ASE）、谷歌云、英特爾、英偉達(dá)、Meta、微軟、高通、三星、臺積電以及阿里巴巴；貢獻(xiàn)者成員包括IBM、應(yīng)用材料、LG、安靠、博世、SK海力士、西門子、長電科技、通富微電、合見工軟等；采用成員包括力積電、芯來科技等。此外，歐洲微電子研發(fā)中心（IMEC）也在開展Chiplet相關(guān)研究。

郝沁汾向鈦媒體App透露，截至目前，中科院計算所發(fā)起的Chiplet組織中國計算機(jī)互連技術(shù)聯(lián)盟（CCITA）成員企業(yè)已達(dá)100家。

當(dāng)前，海外企業(yè)在Chiplet方向上有多個落地產(chǎn)品、進(jìn)步速度較為激進(jìn)。例如臺積電，其正在開發(fā)一種名為“集成芯片上系統(tǒng)”(SoIC)的技術(shù)，這種技術(shù)可以為客戶提供使用芯片的3D設(shè)計；而AMD在Chiplet技術(shù)上深耕已久，目前7nm CPU和GPU產(chǎn)品均使用了Chiplet設(shè)計并封裝，未來AMD還將通過轉(zhuǎn)接板和更密集的互連減少連線開銷，直接在計算芯片上堆疊存儲芯片，以及3D堆疊技術(shù)實(shí)現(xiàn)芯片封裝等。

國內(nèi)方面，今年1月，晶圓封裝龍頭長電科技宣布，公司XDFOI Chiplet高密度多維異構(gòu)集成系列工藝已按計劃進(jìn)入穩(wěn)定量產(chǎn)階段，同步實(shí)現(xiàn)4nm節(jié)點(diǎn)多芯片系統(tǒng)集成封裝產(chǎn)品出貨；龍芯中科采用Chiplet技術(shù)，研發(fā)出一款面向服務(wù)器市場的32核CPU處理器龍芯3D5000，已經(jīng)于今年上半年提供測試樣片；而寒武紀(jì)第四代Al處理器MLUarch03、壁仞科技通用GPU BR100等量產(chǎn)芯片也都采用了Chiplet技術(shù)。


產(chǎn)業(yè)鏈隊伍逐漸壯大

近年里，華為、蘋果、英特爾等巨頭均已自研Chiplet技術(shù)并推出相關(guān)產(chǎn)品。國內(nèi)供應(yīng)鏈也有序發(fā)展，今年3月份，中國Chiplet產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟聯(lián)合國內(nèi)系統(tǒng)、IP、封裝廠商一起，共同發(fā)布了《芯粒互聯(lián)接口標(biāo)準(zhǔn)》 ACC1.0，該標(biāo)準(zhǔn)為高速串口標(biāo)準(zhǔn)，著重基于國內(nèi)封裝及基板供應(yīng)鏈進(jìn)行優(yōu)化，以成本可控及商業(yè)合理性為核心導(dǎo)向。據(jù)了解，目前行業(yè)正逐步構(gòu)建一個開放的Chiplet生態(tài)系統(tǒng)。

“Chiplet技術(shù)在數(shù)據(jù)中心、高性能計算、AI和5G等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。目前，相關(guān)技術(shù)已經(jīng)越來越成熟，主要表現(xiàn)在Chiplet模塊間的互連技術(shù)和制程協(xié)調(diào)管理相關(guān)技術(shù)在不斷發(fā)展和進(jìn)步；UCIe標(biāo)準(zhǔn)推動Chiplet技術(shù)的廣泛應(yīng)用；許多公司正在Chiplet上投入大量的研發(fā)資源；業(yè)內(nèi)對Chiplet技術(shù)是半導(dǎo)體行業(yè)的一個重要趨勢已形成共識?！扁x山資管董事總經(jīng)理王浩宇對《證券日報》記者表示。

在應(yīng)用方面，Chiplet技術(shù)也在逐步從理論階段走向?qū)嵺`階段。不過，王浩宇認(rèn)為，推動Chiplet技術(shù)真正廣泛應(yīng)用和切實(shí)落地，還需行業(yè)在幾個方面進(jìn)一步突破?！霸诨ミB技術(shù)上仍需突破，同時如何有效地協(xié)調(diào)和管理不同的制程，也是一個挑戰(zhàn)；有一套標(biāo)準(zhǔn)的Chiplet接口和協(xié)議，是推動Chiplet技術(shù)落地的關(guān)鍵；形成有效的供應(yīng)鏈和生態(tài)系統(tǒng)對于Chiplet技術(shù)的落地至關(guān)重要；Chiplet技術(shù)需持續(xù)降低成本、提高效率，如此廠商才會愿意大規(guī)模地研發(fā)和使用這種技術(shù)?！?/span>

在北京社科院研究員王鵬看來，以Chiplet為代表的技術(shù)發(fā)展將在打通行業(yè)堵點(diǎn)、堅實(shí)算力底座方面起到重要作用，目前Chiplet生態(tài)的發(fā)展還有很長的路，架構(gòu)設(shè)計和先進(jìn)封裝需要齊頭并進(jìn)，產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)應(yīng)形成分工，以生態(tài)協(xié)作方式共同加速Chiplet的落地。