摩爾定律“拯救者”？爆紅的Chiplet究竟是一種什么技術(shù)

　　通用互連的Chiplet要真正實(shí)現(xiàn)可能還需要幾年時(shí)間，但不管怎樣，這代表了未來(lái)芯片發(fā)展的一個(gè)方向

　　半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈全線上漲之際，Chiplet概念引發(fā)市場(chǎng)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(gè)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(dá)當(dāng)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(jì)、中京電子(002579)漲超5%。

　　Chiplet并不是一個(gè)新鮮的概念。研究機(jī)構(gòu)Gartner分析師盛陵海對(duì)第一財(cái)經(jīng)記者表示，臺(tái)積電和英特爾較早就已經(jīng)開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的技術(shù)，但是早年的技術(shù)成本還是較高?！暗?yàn)槭窍冗M(jìn)技術(shù)，所以有很大的想象空間?！?/p>

　　在機(jī)構(gòu)看來(lái)，隨著芯片制程的演進(jìn)，由于設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)難度更高，流程更加復(fù)雜，芯片全流程設(shè)計(jì)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?qū)牧硪粋€(gè)維度來(lái)延續(xù)摩爾定律的“經(jīng)濟(jì)效益”。

　　什么是Chiplet技術(shù)？

　　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(jìn)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(gè)無(wú)限追求摩爾定律極限的過(guò)程，而當(dāng)芯片的工藝制成突破28nm以下時(shí)，傳統(tǒng)的平面晶體管結(jié)構(gòu)便完全不能支撐進(jìn)一步的微縮，而業(yè)界對(duì)此的應(yīng)對(duì)措施當(dāng)然也很直接——改結(jié)構(gòu)。

　　2011年初，英特爾推出了一種基于FinFET（鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管）的商用芯片，將其使用在22nm節(jié)點(diǎn)的工藝上。隨后，臺(tái)積電等半導(dǎo)體代工廠也紛紛開(kāi)始推出自己的FinFET芯片。到2012年，F(xiàn)inFET的應(yīng)用已開(kāi)始向20nm節(jié)點(diǎn)和14nm節(jié)點(diǎn)推進(jìn)。

　　此后為了突破平面晶體管結(jié)構(gòu)的支撐限制，GAAFET技術(shù)、MBCFET技術(shù)也相繼問(wèn)世，將現(xiàn)代芯片制造一步步推向摩爾定律的極限。可隨著工藝制成邁入10nm級(jí)別，芯片制造商才真正遇到了讓其“頭疼”的問(wèn)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(shù)“不堪重負(fù)”。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(lái)越嚴(yán)重。這反應(yīng)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(duì)此，傳統(tǒng)的解決方案是繼續(xù)加大投資，改善工藝，加強(qiáng)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(wú)法避免，那么就想辦法將缺陷“擊中”的裸芯控制在一個(gè)較低的比率上。

　　換句話說(shuō)，在缺陷“密度”確定的情況下，裸芯的面積越小，沒(méi)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(shuō)是目前為止較好的一種選擇。

　　舉例來(lái)說(shuō)，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(duì)7nm工藝制程的依賴。Chiplet模式也是在摩爾定律趨緩下的半導(dǎo)體工藝發(fā)展方向之一。

　　海外芯片巨頭構(gòu)建Chiplet標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)盟

　　到目前為止AMD、英特爾以及臺(tái)積電等多家國(guó)際頭部芯片設(shè)計(jì)企業(yè)和多家中國(guó)芯片設(shè)計(jì)企業(yè)都曾表明或已經(jīng)實(shí)現(xiàn)在產(chǎn)品中導(dǎo)入 Chiplet 設(shè)計(jì)。

　　據(jù)公開(kāi)資料顯示，華為于2019年推出了基于Chiplet技術(shù)的7nm鯤鵬920處理器。AMD今年3月推出了基于臺(tái)積電3D Chiplet封裝技術(shù)的第三代服務(wù)器處理芯片，蘋(píng)果則推出了采用臺(tái)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(guò)推出“小芯片”來(lái)奪回英特爾主導(dǎo)的服務(wù)器芯片市場(chǎng)。AMD高級(jí)副總裁塞繆爾·納夫齊格(Samuel Naffziger) 在談到公司當(dāng)時(shí)的計(jì)劃時(shí)稱：“我們?cè)谛酒O(shè)計(jì)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(gè)獨(dú)立的部分，并將它們拼接在一起。

　　“如果沒(méi)有支持小芯片的技術(shù)，那么未來(lái)芯片的生產(chǎn)制造將變得過(guò)于昂貴，并且難以繼續(xù)提供計(jì)算能力的飛躍。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，那些較舊的芯片設(shè)計(jì)也將消耗過(guò)多的功率，在經(jīng)濟(jì)上不可行。”一位資深業(yè)內(nèi)人士告訴第一財(cái)經(jīng)記者。

　　通過(guò)這種“小芯片”的設(shè)計(jì)思路，AMD降低了40%的制造成本。帶來(lái)的直接好處是，AMD可以更加靈活地銷售服務(wù)器芯片，根據(jù)需要添加和移除小芯片，并能針對(duì)不同的功能選項(xiàng)制定不同服務(wù)器芯片的價(jià)格區(qū)間。

　　開(kāi)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(zhǎng)到去年的164億美元。

　　今年3月，英特爾、AMD、ARM、高通、臺(tái)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(biāo)準(zhǔn)聯(lián)盟，正式推出了通用Chiplet的高速互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)“UCIE”，旨在定義一個(gè)開(kāi)放的、可互操作的標(biāo)準(zhǔn)，用于將多個(gè)Chiplet通過(guò)先進(jìn)封裝的形式組合到一個(gè)封裝中。

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

　　業(yè)內(nèi)人士對(duì)第一財(cái)經(jīng)記者表示，這種通用互連的Chiplet要真正實(shí)現(xiàn)可能還需要幾年時(shí)間。但不管怎樣，這代表了未來(lái)芯片發(fā)展的一個(gè)方向。

　　行業(yè)挑戰(zhàn)在哪兒？

　　根據(jù)研究機(jī)構(gòu)Omdia的報(bào)告，到2024年，采用Chiplet處理器芯片的全球市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)58億美元，到2035年，這一規(guī)模有望達(dá)到570億美元。Chiplet主要適用于大規(guī)模計(jì)算和異構(gòu)計(jì)算，未來(lái)有望率先應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心應(yīng)用處理器、自動(dòng)駕駛等領(lǐng)域。

　　盡管市場(chǎng)前景充滿想象，但也有部分公司對(duì)此技術(shù)路徑保持謹(jǐn)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(shè)計(jì)正合適，現(xiàn)在關(guān)鍵的問(wèn)題還是成本，所以目前的主要應(yīng)用領(lǐng)域還是局限于高性能計(jì)算機(jī)?！币晃粐?guó)內(nèi)從事Chiplet技術(shù)開(kāi)發(fā)的企業(yè)負(fù)責(zé)人告訴第一財(cái)經(jīng)記者。

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

　　部分原因是由于英偉達(dá)的GPU運(yùn)行方式與CPU具有本質(zhì)的不同。英偉達(dá)的芯片使用數(shù)千個(gè)計(jì)算內(nèi)核一次執(zhí)行大量相對(duì)簡(jiǎn)單的計(jì)算，為了在不采用“小芯片”方法的情況下應(yīng)對(duì)光掩膜尺寸的限制，英偉達(dá)將精力集中在構(gòu)建所謂的“超級(jí)芯片”上。

　　除了技術(shù)路徑和原有賽道的偏離，對(duì)于國(guó)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(guó)內(nèi)Chiplet產(chǎn)業(yè)的企業(yè)創(chuàng)業(yè)者告訴第一財(cái)經(jīng)記者：“Chiplet在國(guó)內(nèi)的生態(tài)還沒(méi)建立，也是很有挑戰(zhàn)的一項(xiàng)工作。所涉及的幾項(xiàng)核心技術(shù)，如芯片設(shè)計(jì)、EDA/IP、封裝技術(shù)或者缺失或者處于技術(shù)發(fā)展初期。國(guó)內(nèi)單一芯片技術(shù)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(jìn)行大量的投資和技術(shù)研發(fā)，另一方面我們也應(yīng)該積極參與國(guó)際上Chiplet相關(guān)的聯(lián)盟，與國(guó)際接軌，在制定標(biāo)準(zhǔn)方面先占據(jù)一席之地?！?/p>