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近幾年Chiplet的概念很火，海內(nèi)外頭部廠商紛紛入局，包括AMD、英特爾、英偉達、蘋果、華為、寒武紀、芯原股份、芯動科技、壁仞科技、龍芯、北極雄芯等。
那些最會做大芯片的廠商都在入局Chiplet
作為Chiplet領(lǐng)域第一個吃螃蟹的“人”，2017年AMD推出第一代EPYC（霄龍）服務(wù)器CPU，采用了同構(gòu)Chiplet的方式實現(xiàn)了多個Die的互聯(lián)，降低了整體成本并提高了良率；2019年AMD推出第二代EPYC數(shù)據(jù)中心CPU，將芯片功能拆分成運算帶和I/O帶，采用了異構(gòu)Chiplet的方式集成到一起，由于不同的Chiplet采用了最具性價比的制程，進一步降低了成本，減少了I/O面積，提升了良率，并輔助降低了延遲；2022年AMD推出游戲GPU -RX 7900系列顯卡，采用異構(gòu)Chiplet的方式，將一個“GCD”小核心和多個“MCD”小核心連接，降低了非高頻運算組件的制程，降低了成本；2023年AMD進一步將Chiplet技術(shù)引入AI芯片，推出數(shù)據(jù)中心芯片Instinct MI300，首次通過3D堆疊的方式將CPU和GPU集成封裝在一顆芯片內(nèi)部（9個5nm Chiplets堆疊4個6nm Chiplets，HBM3內(nèi)存環(huán)繞兩側(cè)）。
可以說，AMD EPYC的成功讓世界看到了Chiplet技術(shù)，而Instinct MI300的發(fā)布意味著AMD在其CPU、游戲GPU、數(shù)據(jù)中心GPU三大產(chǎn)品系列和ZEN、RDNA、CDNA三大系列架構(gòu)上均引入了Chiplet技術(shù)。
當然，除了AMD之外，前面提到的那些廠商也均已發(fā)布采用Chiplet技術(shù)的產(chǎn)品，包括英特爾的第四代Intel Xeon可擴展處理器和Max系列、英偉達的Grace CPU Superchip和H100 GPU、蘋果的M1 Ultra和M2芯片、華為的鯤鵬920處理器、寒武紀的第三代云端AI芯片思元370、芯原股份的高端應(yīng)用處理器平臺、芯動科技的服務(wù)器級顯卡GPU“風華 1 號”、 壁仞科技的BR100系列GPU、龍芯的服務(wù)器CPU 3D5000和北極雄芯的AI芯片“啟明 930 ”等。
Chiplet推動產(chǎn)業(yè)鏈變革，憑什么？
憑什么推動產(chǎn)業(yè)鏈變革？憑的當然是優(yōu)勢。但在講優(yōu)勢前，我們首先要了解什么是Chiplet？
Chiplet又被稱為芯?；蛐⌒酒?，被認為是超越摩爾定律的關(guān)鍵技術(shù)路線，它通過把不同 Die（裸芯片）的能力模塊化，利用新的設(shè)計、互聯(lián)、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，形成一個系統(tǒng)芯片。簡單理解來說，就是硅片級別的“解構(gòu)-重構(gòu)-復(fù)用”。
Chiplet的優(yōu)勢很多，比如：
- 提升芯片的性能和集成度
通過2.5D/3D堆疊的方式，可以實現(xiàn)單位面積上晶體管數(shù)量的增加，從而提高算力；同時通過異構(gòu)互聯(lián)，還可以進一步滿足芯片的復(fù)雜度需求，提升其集成度水平。
- 提高芯片的制造良率
芯片良率與芯片面積、工藝制程等息息相關(guān)，傳統(tǒng)形式下單顆芯片面積很難超過800 mm2，且隨著芯片面積的增大、工藝制程的縮小，其良率會不斷下降，而采用Chiplet的芯片可以通過降低部分小芯片的工藝制程，加上提前測試保障每一個小模塊的良率，來改善大芯片整體的良率。
- 降低芯片的設(shè)計和制造成本
Chiplet是模塊化思維的設(shè)計，可以重復(fù)運用在不同的芯片產(chǎn)品當中，相比大規(guī)模的SoC而言更容易迭代，成本也低一些。在制造側(cè)，工藝制程越先進、芯片組面積越大、小芯片數(shù)量越多，Chiplet封裝較SoC單芯片封裝的成本就越有優(yōu)勢。
根據(jù)白皮書《Chiplets Gain Rapid Adoption:Why Big Chips Are Getting Small》顯示，Chiplet技術(shù)可以將大型7nm設(shè)計的成本降低高達25%；而在5nm及以下工藝制程情況下，節(jié)省的成本將更大。
- 降低芯片的設(shè)計復(fù)雜度
類模塊化的設(shè)計可以降低芯片的整體設(shè)計復(fù)雜性，對于很多中小型公司而言，可以加速其產(chǎn)品上市的周期，而對于一些系統(tǒng)級廠商而言，可以降低其自研芯片的準入門檻。此外，由于采用了集成異質(zhì)化和介質(zhì)層重新連線，芯片I/O增量化變得更為容易。
- 降低芯片功耗
芯片越大，線從一端跑到另一端，功耗上也是個大問題，而Chiplet可以一定程度上解決該問題。
對于中國來說，Chiplet除了擁有前面提到的優(yōu)勢以外，還被賦予了另一層任務(wù)——輔助中國半導(dǎo)體在逆全球化的現(xiàn)實中實現(xiàn)更多的芯片設(shè)計、制造國產(chǎn)化。
芯原股份創(chuàng)始人戴偉民表示：“28nm、14nm、5nm將是三個長命工藝制程，Chiplet基本上有這三種工藝制程就夠了，當前14nm在設(shè)備、材料上會有一點限制，我認為這個限制兩年之內(nèi)會取消，因為賣設(shè)備的也要賣嘛，但5nm、7nm用的EUV五年之內(nèi)很難取消，如果我們采用Chiplet，那么28nm、14nm都有了，唯一就缺5nm，而5nm只會是其中的一小塊，相對來說依賴性會好一點?！?/p>
而筆者認為，即使在國產(chǎn)14nm產(chǎn)能為存量的局面下，Chiplet也能夠增加14nm工藝制程大芯片的良率，并降低其設(shè)計、制造和封測成本。
當然，對于為什么要做Chiplet，站在不同的位置，大家的動機各不相同。ARM公司企業(yè)應(yīng)用市場經(jīng)理 Winnie Shao曾在《Chiplet小芯片的研究報告》一文中總結(jié)道：“Marvell最初說的是Mask太貴，賽靈思（已被AMD收購）是突破Die尺寸上限，AMD說良率問題，英特爾上來就是mix-and-match，而Darpa、Facebook等要的是第三方Chiplet的開放繁榮市場?！倍褪怯羞@么多的巨頭參與其中，才引領(lǐng)了半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈的又一次變革。
行業(yè)很火，但真正意義上的Chiplet市場還是一片空白
經(jīng)過五年多的市場教育，不管是企業(yè)面還是投資面，對Chiplet技術(shù)的認同感已經(jīng)非常強。
在“2023中國IC領(lǐng)袖峰會”上，芯耀輝董事長曾克強表示：“Chiplet應(yīng)用在芯片中的時間還不長，但自2020年開始發(fā)展非?？?，年復(fù)合增長率達到36.4%?！倍鶕?jù)IPnest發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示：到2031年，整個Chiplet行業(yè)市場規(guī)模有望達到470億美元，2021年-2031年十年期年復(fù)合增長率保持在36.4%左右，而亞洲將占據(jù)超過半數(shù)的Chiplet市場。此外，IPnest預(yù)測，到2026年，D2D IP市場規(guī)模有望達到3.24億美元，2021年-2026年五年期年復(fù)合增長率將達到50%左右。
圖源：IPnest，芯耀輝
Chiplet在釋放芯片IP化需求的同時，真正能讓Chiplet給整個芯片行業(yè)帶來活力的是IP芯片化。這似乎聽起來有些繞口，事實上如果大家仔細觀察前面推出Chiplet產(chǎn)品的公司會發(fā)現(xiàn)，他們基本都是在做自己的大芯片產(chǎn)品，對于他們來說可以將大芯片內(nèi)部的各個模塊進行IP化來降低研發(fā)成本、提升產(chǎn)品性能和能效比等。但這些企業(yè)存在一個共性，那就是Chiplet自研自用，暫時都不對外開放。而真正意義上的Chiplet絕非僅僅自用，IP芯片化將成為大勢所趨，但目前該市場一片空白。
曾克強預(yù)測：“Chiplet的發(fā)展將分為幾個階段，2023年之前的2-3年是Chiplet生態(tài)早期階段，芯片公司對芯片進行分拆，并尋找先進封裝組合，各家都按自己的定義協(xié)議來做產(chǎn)品，該階段并未形成統(tǒng)一的標準；進入到2023年，隨著工藝制程進入3nm接近物理極限，屬于Chiplet的新時代正在開啟，設(shè)計廠商對自己設(shè)計的Chiplet進行自重用和自迭代，同時工藝逐漸成型，互聯(lián)標準日趨統(tǒng)一；預(yù)計到2027年，Chiplet生態(tài)將進入成熟期，真正進入IP芯片時代，屆時會誕生一批新公司，包括Chiplet設(shè)計公司、集成Chiplet的大芯片設(shè)計公司、有源基板供應(yīng)商和支持集成Chiplet的EDA公司等，主要參與Chiplet生態(tài)鏈的四個重要角色包括EDA供應(yīng)商、IP廠商、封裝廠和Fab廠。”
Chiplet將優(yōu)先落地三大領(lǐng)域
Chiplet在哪里？如果跳開落地談發(fā)展那是耍流氓。針對Chiplet產(chǎn)業(yè)化，戴偉民指出：“自動駕駛、數(shù)據(jù)中心、高端平板電腦三大領(lǐng)域有望率先實現(xiàn)落地。”
圖源：芯原股份
- 自動駕駛
域處理器在自動駕駛中比較需要迭代，如果每次都要做個大SoC，過車規(guī)級驗證是很困難的，如果采用Chiplet就比較容易迭代。此外，汽車電子對安全的要求很高，兩顆Chiplet同時壞的概率比較小，可以用它來做冗余設(shè)計。
- 數(shù)據(jù)中心
數(shù)據(jù)中心要集成很多通用的高性能計算模塊，但做GPU強的廠商不一定它的視頻轉(zhuǎn)碼和AI能力就強，為了給云服務(wù)商提供更好的產(chǎn)品，常常需要將各種模塊做最優(yōu)的異構(gòu)結(jié)合，此時Chiplet是個很好的選擇方向。
- 高端平板電腦
平板電腦需要各種不同功能的異構(gòu)處理IP，蘋果在高端應(yīng)用處理器方面走在世界前列，其Mac系列產(chǎn)品上的M1/M2芯片均采用了Chiplet技術(shù)。
誰將成為推動IP芯片化的“第一人”？
Chiplet誰來做？Chiplet誰先做？Chiplet誰付錢？面對這三個問題，戴偉民曾在接受與非網(wǎng)2022年度專題采訪中表示：“Chiplet的供應(yīng)商首先要有IP，因為那是IP芯片化；其次，Chiplet不是軟IP，做好了以后還可以改，可以組合再做芯片，所以做好就是infix，因為Chiplet一定是通用的，一家用不夠還要多家用，那多家能不能大家都喜歡這樣一個定義呢？這就是個問題。所以這家Chiplet供應(yīng)商不僅要有足夠的IP，最好還要會做芯片，做過大芯片，做過先進工藝，懂封裝和制造的事情。至于誰來付錢？最好還是眾籌一下，所以這家公司的商業(yè)模式要比較中立，最好不是產(chǎn)品公司。”
綜上，戴偉民認為：“芯原股份作為中國大陸排名第一、全球排名第七的半導(dǎo)體IP供應(yīng)商，擁有除CPU以外的圖形/神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)/視頻/數(shù)字信號/圖像/顯示六大類處理器IP核，同時已推出基于Chiplet架構(gòu)所設(shè)計的高端應(yīng)用處理器平臺，因此芯原股份很可能是全球推出第一批Chiplet的公司，去解決雞和蛋的問題，等第一批出來以后，其他的Chiplet自然會越來越多?！?/p>
與此同時，芯片重構(gòu)也是國產(chǎn)EDA的導(dǎo)入良機，包括建立統(tǒng)一的EDA設(shè)計工具的國產(chǎn)統(tǒng)一標準等。曾克強表示：“由于Chiplet加入了更多的異構(gòu)芯片和各類總線，相應(yīng)的EDA覆蓋工作就變得更加復(fù)雜，需要更多的創(chuàng)新功能。國內(nèi)EDA企業(yè)需要提升相關(guān)技術(shù)，應(yīng)對堆疊設(shè)計帶來的諸多挑戰(zhàn)，例如對熱應(yīng)力、布線、散熱、電池干擾等的精確仿真?！?/p>
圖源：芯耀輝
對此，合見工軟產(chǎn)品工程副總裁孫曉陽透露：“Chiplet會有很多的需求給到合見工軟等EDA廠商，而除了內(nèi)部大量驗證以外，合見工軟將跟客戶一個比特一個比特地去磨，一個功能一個功能地去磨，來打造滿足客戶需求的好產(chǎn)品?！?/p>
此外，在制造和封裝側(cè)，Chiplet也需要2.5D和3D先進封裝技術(shù)支持。當前，通富微電、長電科技和華天科技等國產(chǎn)封測龍頭在Chiplet領(lǐng)域已實現(xiàn)技術(shù)布局，其中通富微電已為AMD大規(guī)模量產(chǎn)Chiplet產(chǎn)品，長電科技的4nm Chiplet技術(shù)也已經(jīng)實現(xiàn)量產(chǎn)。戴偉民認為：“封裝是產(chǎn)業(yè)發(fā)展接下去會遇到的問題，而面板級封裝將根本性解決封裝問題，大大降低封裝的費用?！?/p>
寫在最后
事實上，Chiplet面臨的最關(guān)鍵問題是接口問題，把幾塊silicon連起來，怎么連？自己連自己好說，要連別人就會有限制。而解決這一問題的最好方法就是確立國際接口標準，2022年3月2日，十大國際一流的公司，包括foundry、芯片原廠和IP廠商等，已經(jīng)聯(lián)合起來推出了統(tǒng)一的互聯(lián)標準——UCIe。
戴偉民說：“UCIe聽上去就像PCIe，在計算機行業(yè)里面，如果沒有PCIe接口標準，不可想象，UCIe實際上就提醒大家，它將像PCIe那樣對整個產(chǎn)業(yè)發(fā)展起到很大的作用，解決接口問題。”
值得一提的是，除了國際標準外，中科院計算所也牽頭成立了中國計算機互連技術(shù)聯(lián)盟，CCITA聯(lián)合集成電路企業(yè)和專家共同主導(dǎo)定義了Chiplet接口總線技術(shù)要求，并且這是中國首個原生的Chiplet標準，在去年12月15日已經(jīng)通過了工信部電子工業(yè)標準化技術(shù)協(xié)會的審定并發(fā)布。
那么，我們真的需要推Chiplet中國標準嗎？是否只要遵循國際標準就夠了呢？曾克強認為是有必要的，他表示：“中國要發(fā)展自己的Chiplet生態(tài)鏈，也需要有自己的標準。我們自己定義的標準和UCIe有兩點不同，UCIe只定義了并口，我們的Chiplet標準既定義了并口，也定義了串口，協(xié)議層自定義數(shù)據(jù)包格式也不同，但是與UCIe是兼容的，直接使用已有生態(tài)環(huán)境，物理層是兼容UCIe并口，同時增加一個串口，使物理層應(yīng)用范圍更加全面。在封裝上面，UCIe支持英特爾、AMD等使用的先進封裝，而國內(nèi)封裝水平普遍不夠，我們直接使用UCIe在國內(nèi)產(chǎn)業(yè)環(huán)境當中是不利于產(chǎn)業(yè)發(fā)展的，所以CCITA定義的Chiplet標準主要采用國內(nèi)可實現(xiàn)的技術(shù)?！?/p>
