搜索量暴增6000倍，“小芯片”能突圍芯片封鎖？｜硅基世界

（圖片來源：AMD官網）

過去一年，在摩爾定律放緩以及芯片脫鈎等多個因素下，Chiplet（小芯片，又稱"芯粒"）技術被認為是提升算力密度的關鍵路徑，成為了中國半導體產業重點關注的賽道之一。

1月5日，美國、中國兩家半導體企業不約而同公布基於Chiplet的先進芯片量產：

• CES 2023開幕演講上，美國芯片巨頭AMD發布全球首個集成數據中心APU（加速處理器）芯片Instinct MI300，其採用5nm和6nm的先進Chiplet 3D封裝技術，實現高達1460億個晶體管，AI 性能比前代提升8倍以上，最快2023年下半年發貨；


• 國內晶圓封裝龍頭長電科技（600584.SH）宣布，公司XDFOI Chiplet高密度多維異構集成系列工藝已按計劃進入穩定量產階段，同步實現4nm節點多芯片系統集成封裝產品出貨。

實際上，Chiplet是一種芯片"模塊化"設計方案，通過2.5D/3D集成封裝等技術，能夠將不同工藝節點、不同功能、不同材質的芯片，如同搭積木一樣集成一個更大的系統級芯片（SoC)。與傳統的SoC方案相比，Chiplet模式具有設計靈活性、成本低、上市周期短等優勢，非常適用於高性能計算等領域。

例如，搭配28nm、14nm等不同製程芯片，通過Chiplet等技術集成的芯片，可接近7nm芯片性能和作用，而且成本最高降低50%以上——設計一款5nm芯片的總成本接近5億美元。而且，國產Chiplet有助於減少美國對先進技術封鎖的影響。

根據鈦媒體App編輯的統計，自2022年8月開始，"Chiplet"的百度中文搜索量突然猛增，周搜索指數最高增長6123倍。而在去年12月中的一周內，搜索量暴增1005倍，熱度僅次於"布洛芬"、口罩和抗原等。

這意味着，最近很多人開始在中文互聯網上搜索、了解Chiplet半導體技術。

"Chiplet"過去一年的中文搜索增長趨勢（來源：鈦媒體App/百度指數）

清華大學集成電路學院院長吳華強教授在2022年IC World大會上表示，Chiplet是延續摩爾定律的重要技術路徑，對中國至關重要，是核心戰略產品：是集成電路產業后摩爾時代重要技術路徑；具有極高的商業價值；為沒有EUV光刻機下爭取戰略緩衝期；可重新定義產業鏈。

去年12月，中國發布了首個原生Chiplet技術標準《小芯片接口總線技術要求》，被認為是AMD、台積電發起的國際UCIe標準的"中國創新版"，有超過60家企業參與，成為Chiplet行業標準的Plan B。

不過，當前Chiplet還存在很多爭議和挑戰。無論是國內芯片 IP（知識產權）偏少，產業上下游的支持力度差，還是芯片測試良率、互連技術、集成封裝技術、供電散熱等方面的技術挑戰，都說明國內Chiplet產業鏈還不成熟，距離自主可控還有一定距離。

"國內已經具備了一定的Chiplet芯片設計能力，但是普遍基於海外的製造和集成工藝。"吳華強坦言。

那麼，在加快芯片"國產替代"的大背景下，Chiplet能否將成為中國突圍芯片封鎖的"救星"？

爭議中的"靈丹妙藥"

事實上，Chiplet並不是一項新的技術名詞。

早在2009年，英特爾在製造一款複雜處理器（i7 Nehalem process）時，就提到了類似Chiplet的多芯片3D集成的概念，當時這一消息還沒被很多人關注到。

隨後2015年ISSCC大會上，美國芯片巨頭Marvell創始人周秀文提出了MoChi（模塊化芯片）架構概念。同一年，美國芯片巨頭AMD公司就以實現性能、功耗和成本的平衡為目標，率先將Chiplet應用於商業產品中，自此之後陸續使用HBM、Chiplet和3D Chiplet等技術研發芯片產品。

為什麼要Chiplet？一個核心原因就是：摩爾定律的放緩以及先進芯片設計成本越來越高，通過Chiplet實現對算力的無止境需求。

事實上，近年來，隨着高性能計算、人工智能、5G、汽車、雲端等應用的蓬勃發展，要求芯片成品製造工藝持續革新以彌補摩爾定律的放緩，先進封裝技術變得越來越重要，也逐漸成為芯片公司加碼布局的重點。而Chiplet將SoC模塊化之後，可以減少重複的設計和驗證環節，提高產品的迭代速度，與更加追求效率的后摩爾時代調性相同。

Chiplet是行業技術、市場需求與經濟效益協同選擇的結果，近年來加速爆發主要源於三方面：1、摩爾定律呈現放緩趨勢，先進製程工藝逐漸接近物理極限、成本高且產能有限；2、單芯片算力逐漸無法滿足人工智能、大數據、科學計算等戰略應用算力需求激增要求：3、萬物智能互聯時代，市場對芯片多樣化、敏捷化開發需求極高。

2019年，AMD發布7nm製程的Ryzen 3000系列，其中內置基於Chiplet技術的Zen 2 內核，實現了對英特爾落後製程和性能上的超越，以較高的性價比快速分食PC處理器芯片領域的市佔率。

2021年6月，AMD發布了基於3D Chiplet技術的3D V-Cache，使用台積電的3D Fabric先進封裝技術，引入垂直Cache，讓存儲架構基於Chiplet以3D堆疊的形式與處理器封裝在一起，最後概念產品中每個Ryzen 5000 Chiplet的存儲架構實現接近翻倍的提升。

蘋果Chiplet專利與M1 Ultra芯片

隨後，科技巨頭們也嗅到了Chiplet技術的商業化前景。2022年3月，蘋果公司發布的自研M1 Ultra芯片，就是通過Chiplet封裝方案，將兩個M1 Max芯片互連，以實現更高的性能以及更經濟的方案；2021年特斯拉發布的7nm Dojo Al超算模組，採用了Chiplet技術，每秒可執行1024億次計算，性能遠遠高於其他芯片產品，甚至還取代日本的"富岳"成為全球最快的超級計算機。

此外，Chiplet技術類似於預製菜概念，引入了平台化設計模式。一方面，這種系統平台帶來成熟解決方案，可固化成的標準組件，降低技術風險，減少重複開發；另一方面平台化設計使技術收斂，易於實現標準化，形成生態的必要系件，而且系統開發變為軟件開發+定製功能實現，加速了應用開發和應用創新。

根據調研機構Omdia數據显示，到2024年，Chiplet處理器芯片的全球市場規模將達到58億美元，較2018年增長9倍。到2035年，全球Chiplet芯片市場規模將有望擴大到570億美元，較2024年增長近10倍。

基於Chiplet的系統芯片示意圖（來源：IEEE會議）

"（Chiplet）解決7nm、5nm及以下工藝中，性能與成本的平衡，能降低較大規模芯片的設計時間和風險。"芯原股份CEO戴偉民十分看好Chiplet這項技術發展。去年一場線上會議中，戴偉民直言，Chiplet技術能使中國構建計算機和电子設備核心的中央處理器 (CPU) 和圖形處理器 (GPU) 的"戰略庫存"。

對於中國來說，Chiplet技術的最大吸引力在於，它可以在降低成本下，實現不同工藝節點的芯片產品搭配，並通過添加或刪除Chiplet，來創建具有不同功能集的不同產品。除了降低成本外，還能大大縮短研發時間，增強企業的市場競爭力。

"Chiplet技術帶來系統綜合性能的提升，可彌補中國EUV光刻機等關鍵裝備不足缺陷。採用Chiplet技術，可以支撐換道發展變革性技術，為中國集成電路產業發展爭取戰略緩衝期。"吳華強表示，隨着数字化與智能化進程加快，對算力需求緊迫，高性能計算芯片有望成為引爆Chiplet市場的核心產品。

不過，清華大學教授魏少軍卻認為，Chiplet處理器芯片是先進製造工藝的"補充"，而不是替代品。"其目標還是在成本可控情況下的異質集成。"

綜合考慮成本、性能等多方面的因素，魏少軍表示，Chiplet技術最大的應用場景，主要包括計算邏輯與DRAM（動態隨機存儲）集成、手機領域通過Chiplet將多顆芯粒集成以節省體積、以及汽車、工業控制、物聯網等領域。

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雲岫資本合伙人兼首席技術官趙占祥此前在公開演講中也指出，Chiplet不僅是先進封裝，合理的架構設計才能和封裝技術相得益彰。架構設計和先進封裝齊頭並進，才能加速Chiplet的落地與實現。每款用Chiplet技術實現的大芯片一定是兩者共同作用的產物。

"盲目誇大Chiplet的作用也是不對的，只是Chiplet設計方式加上成熟工藝在某些場景下小於或等同於先進工藝的作用，Chiplet並不能替代以光刻機的演進為主要方向的傳統集成電路技術路線。"中國計算機互連技術聯盟CCITA郝沁汾對鈦媒體App表示，只靠Chiplet並不能實現中國芯片產業的"彎道超車"。

此外，值得注意的是，因為Chiplet技術強調將模塊化的芯片之間的互連，因此容易與"先進封裝"概念混淆。英特爾中國研究院院長宋繼強博士，在2022年12月的一場線上活動中向鈦媒體App介紹了這兩個概念的區分。

宋繼強表示，先進封裝和Chiplet的概念並不等同，先進封裝是將不同的芯片很好地封裝在一個更大的芯片中，是集成製造技術，而Chiplet更多則是對芯片架構或系統架構的設計理念。"多芯片封裝集成中未必需要Chiplet的設計，但想要實現Chiplet，則一定需要用到先進封裝。"

宋繼強向鈦媒體App強調，Chiplet更多是設計理念的概念。而Chiplet要實現得好，一定要用到先進封裝，但先進封裝裏面不一定都是Chiplet的設計。

电子科技大學电子科學與工程學院教授黃樂天曾談到，儘管Chiplet作為一種新的技術路線，確實給出了在單個裸片晶體管數量受限的情況下，保持封裝后芯片產品晶體管數量持續提升的方法，但是，Chiplet絕不是解決目前國內芯片產業的"萬能神葯"，其局限和挑戰同樣很大，還會由於國內的特殊情況而導致新的挑戰。

國產Chiplet背後的五大挑戰

儘管爭議頗多，但中國已經開始布局和重視Chiplet技術的發展，畢竟美國企業已經跑在了前面。

目前在國內，華為海思半導體是最早研究Chiplet芯片的科技公司之一。後來，包括芯片IP公司芯原股份、長電科技、通富微電、寒武紀等企業都在發力Chiplet技術。據中國證券報統計，A股中布局Chiplet的概念股有8隻。

同時，寒武紀第四代Al處理器MLUarch03、壁仞科技通用GPU BR100等一批基於Chiplet技術的國產芯片都已經對外量產或測試使用。

去年12月27日，龍芯中科（688047.SH）宣布完成了一款面向服務器市場的32核CPU處理器"龍芯3D5000"的初樣芯片驗證。而3D5000就是通過Chiplet技術，把兩個3C5000的硅片封裝在一起。龍芯預計將在2023年上半年向產業鏈夥伴提供樣片、樣機。

不過，雖然上述芯片基本都是國內企業的設計、銷售，但是它們依然基於海外的製造和集成工藝，IP（知識產權）也不可避免的用到了美國技術，中國Chiplet產業鏈國產化率較低。

僅芯片 IP 市場來看，2021年，英國Arm公司和美國Synopsys分別以40.4%、19.7%高市佔率穩居全球第一、第二位置，而中國大陸僅有芯原股份以3.3%的全球市佔率擠進前十名。

國產化率偏低背後原因，與製造能力和封裝技術企業支持力度較弱，部分EDA工具、高性能芯粒間互聯接口、測試技術等關鍵技術空白，以及缺少國內廣泛接受的統一Chiplet標準等諸多因素有關。

吳華強表示，國內具備Chiplet的基礎能力，但發展問題突出。他提到以下五點問題與挑戰：

• 製造能力同國外還存在差距，先進封裝技術水平需要進一步提升；


• 國內缺少廣泛接受的統一Chiplet標準，多種標準分散，不利於形成合力，浪費產業資源；


• 國內產業鏈協調聯動不夠，企業開展Chiplet產品研製需要多方協調，自己彌合產業鏈，制約了技術創新的快速發展；


• Chiplet技術難度高，中小企業面臨較高的門檻，既缺少相關經驗，又無法獨立承擔大量的技術攻關，產業生態建設刻不容緩；


• 部分EDA工具、高性能芯粒間互聯接口、測試技術等關鍵技術存在空白。

一位半導體行業人士對鈦媒體App表示，由於Chiplet可以延伸出很多新的封裝方案，比如台積電提出的Passive Interposer（2.5D) 以及英特爾提出的Silicon Bridges等，但這些核心技術 IP 並不會銷售給中芯國際、長電科技等。因此，一旦國內芯片封裝公司想要做Chiplet，就需要大量的投資做研發、做測試驗證等，而下游需求訂單是否真的存在，依然是一個未知數。

以國內晶圓封裝"一哥"長電科技為例。2022年，該公司計劃資本開支60億元，佔去年前三季度營收的四分之一左右，其中大部分都是投入包括Chiplet在內的先進封裝技術。另外長電還成立了設計服務事業部，去年11月向其全資子公司增資至10億元，主要為了獲得Chiplet設計訂單進行協作和服務。但截至目前，長電科技並沒有公布相關客戶到底有多少、Chiplet市場規模化需求是否存在等。

"Chiplet推動起來的難度主要在於中國企業普遍有技術的不自信。儘管很多企業都加入了英特爾、台積電主導的Ucle聯盟，但英特爾並不能把相關技術細節進行公開，尤其中國企業只是標準的貢獻者成員（contributor member）。"上述行業人士表示，很多企業在營收面前，都會對Chiplet投入保持謹慎態度。在短期商業需求沒那麼確定下，大家都質疑Chiplet是否可以全力去投入，還是說只能作為嘗試性項目。

吳華強建議，國內需要構建Chiplet產業聯盟，形成合力突圍，而且要打造Chiplet標準化、產業化、產品化、生態化。

"制定高質量的國內Chiplet技術標準，統一行業接口，擴大共同的芯粒市場；補足、拉通國內產業鏈條，建設完善的Chiplet產業；支持新商業模式、新業態的發展，打造繁榮活躍的創新環境；以高算力芯片等關鍵芯片為牽引．依靠市場機制牽引技術應用，加快國內Chiplet芯片產品化；加強國內Chiplet生態建設，包括標準體系建設、產業鏈動調機制建設、公共技術服務平台建設、開放的IP、芯粒資源池建設、參考流程研發等。"吳華強表示。

突圍芯片封鎖，Chiplet中國標準成為關鍵因子

隨着半導體戰略地位的愈加重要，各國政府、產業機構也都開始關注到了Chiplet帶來的技術變革，紛紛在相關政策制定中提到Chiplet的重要性：

• 2017年，美國國防部高級研究計劃局(DARPA)發布了名為 "通用異構集成和IP重用策略(CHIPS)〞的項目，提出Chiplet慨念，目標是培育即插即用的模塊化芯片的生態體系，希望通過可復用的芯粒搭建複雜系統的設計模式和軍工芯片設計體系；


• 2022年8月，美國總統拜登簽署的《芯片與科學法案》中包括PCAST提交的《振興美國半導體生態系統》，該文件中提到美國要打造一個包含完整軟件棧的Chiplet平台，初創公司和學術機構可以將自己定製的芯粒、芯粒平台集成在一起驗證它們的創新方案，以大幅減少完成新產品驗證所需要的成本和時間；


• 2022年10月，歐盟委員會更新 《關於建立歐洲開源硬件、軟件和 RISC-V技術主權的建議和路線圖》報告，建議構建"Chiplet+轉接板"的歐洲生態系統，即以開源方式開發芯粒間的接口1P，以造成芯粒間接口的"事實" 標準，而且開發基於Chiplet的系統芯片基礎架構，使中小企業、初創企業和行業能夠向"Chiplet+轉接板"技術路線邁進。

吳華強直言，Chiplet技術的競爭是生態之爭，標準是焦點，平台是競爭力的基礎。

2022年3月，英特爾、台積電、三星聯手芯片封測龍頭日月光，攜AMD、Arm、高通、谷歌、微軟等科技行業巨頭推出了一個全新的通用芯片互連標準：通用小芯片快連（UCle）。旨在為小芯片互連定製一個新的開放標準，簡化相關流程，並提高來自不同製造商的小芯片之間的互操作性。這一標準之下，芯片製造商可以在合適的情況下混合構建芯片。

隨後，芯原股份、燦芯半導體、芯來科技、芯和半導體、長電科技等諸多國內芯片廠商也紛紛宣布加入UCIe產業聯盟。

"基於英特爾和台積電技術的Chiplet標準，中國企業只能作為貢獻者成員，沒有話語權。"吳華強在他的演講PPT中直言不諱地指出，如果中國企業可以拉通建立自主體系，國內Chiplet技術在未來兩、三年應該有爆發機會。

實際上，生態建設是一項技術革命的關鍵，唯有越來越多的芯片設計企業開始採用Chiplet設計的時候，才能使國內整個Chiplet生態更成熟穩定。

早在2020年8月，中科院計算所牽頭成立了中國計算機互連技術聯盟（CCITA），重點圍繞Chiplet小芯片和微电子芯片光I/O成立了2個標準工作組，並於2021年6月在工信部中國电子工業標準化技術協會立項了《小芯片接口總線技術》《微电子芯片光互連接口技術》2項團體標準。小芯片接口標準制定，目前集結了國內產業鏈上下游六十多家單位共同參與研究。

2022年12月，中國首個Chiplet技術標準正式發布，這項標準描述了CPU/GPU、人工智能芯片、網絡處理器和網絡交換芯片等應用場景的小芯片接口總線（Chiplet）技術要求，包括總體概述、接口要求、鏈路層、適配層、物理層和封裝要求等，以靈活應對不同的應用場景、適配不同能力的技術供應商，實現一種或者幾種成本低廉、重點針對 Chiplet芯片架構、可以覆蓋80%以上應用場景的先進封裝手段等。

儘管作為中國小芯片標準的主要發起人和起草人，郝沁汾反覆向鈦媒體App強調，中國小芯片標準更偏重本土化的需求，與UCIe並不是競爭關係，而且CCITA已經在考慮和英特爾UCIe在物理層上兼容，以降低IP廠商支持多種Chiplet標準成本。

但不可否認的是，隨着美國政府對中國半導體的制裁步步升級，對於中國突圍先進製程芯片發展短板，Chiplet中國標準將成為國內芯片發展的關鍵因子，有助於推動行業圍繞Chiplet技術形成更加廣泛的社會分工。

不過，先進製程依然是整個半導體創新發展的基礎，沒有先進製程Chiplet很難有發展。中國在先進製程和先進封裝兩方面要齊頭並進地推進。"先進製程是基礎，是重中之重。如果說沒有好的晶體管，沒有好的die裸片，後面僅僅靠封裝達不到最好的效果。"宋繼強對鈦媒體App表示。

北京半導體行業協會副秘書長朱晶認為，大家還是要冷靜看待Chiplet。Chiplet本質上還是一個集成的技術，整體性能優秀的前提是不能有任何一個短板，同時又加了互聯、散熱等一系列集成上的難點，所以Chiplet技術本身又製造了更多障礙。關於先進工藝，中國不能有任何投機取巧的心理，就是沉澱下來踏踏實實的干，所有的抄近路都被堵死了，就不要再去企圖找到任何捷徑了，只能正面對抗。

中科院計算所研究員韓銀和表示，Chiplet未來主要將用於高性能領域，5年內會形成Chiplet集成芯片，未來生態將會逐漸完善。

"中國需要形成共識，凝心聚力，抓佳歷史性的發展機遇，頭部產學研結構密切協作，形成統一標準規範，加速自主Chiplet技術成熟併產業化。"吳華強說。（本文首發鈦媒體App，作者｜林志佳）

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