近几年Chiplet的概念很火，海内外头部厂商纷纷入局，包括AMD、英特尔、英伟达、苹果、华为、寒武纪、芯原股份、芯动科技、壁仞科技、龙芯、北极雄芯等。
那些最会做大芯片的厂商
都在入局Chiplet 作为Chiplet领域第一个吃螃蟹的“人”，2017年AMD推出第一代EPYC（霄龙）服务器CPU，采用了同构Chiplet的方式实现了多个Die的互联，降低了整体成本并提高了良率；2019年AMD推出第二代EPYC数据中心CPU，将芯片功能拆分成运算带和I/O带，采用了异构Chiplet的方式集成到一起，由于不同的Chiplet采用了最具性价比的制程，进一步降低了成本，减少了I/O面积，提升了良率，并辅助降低了延迟；2022年AMD推出游戏GPU -RX 7900系列显卡，采用异构Chiplet的方式，将一个“GCD”小核心和多个“MCD”小核心连接，降低了非高频运算组件的制程，降低了成本；2023年AMD进一步将Chiplet技术引入AI芯片，推出数据中心芯片Instinct MI300，首次通过3D堆叠的方式将CPU和GPU集成封装在一颗芯片内部（9个5nm Chiplets堆叠4个6nm Chiplets，HBM3内存环绕两侧）。 可以说，AMD EPYC的成功让世界看到了Chiplet技术，而Instinct MI300的发布意味着AMD在其CPU、游戏GPU、数据中心GPU三大产品系列和ZEN、RDNA、CDNA三大系列架构上均引入了Chiplet技术。 当然，除了AMD之外，前面提到的那些厂商也均已发布采用Chiplet技术的产品，包括英特尔的第四代Intel Xeon可扩展处理器和Max系列、英伟达的Grace CPU Superchip和H100 GPU、苹果的M1 Ultra和M2芯片、华为的鲲鹏920处理器、寒武纪的第三代云端AI芯片思元370、芯原股份的高端应用处理器平台、芯动科技的服务器级显卡GPU“风华 1 号”、 壁仞科技的BR100系列GPU、龙芯的服务器CPU 3D5000和北极雄芯的AI芯片“启明 930 ”等。 Chiplet推动产业链变革 凭什么？ 图源 | itigic.com 凭什么推动产业链变革？凭的当然是优势。但在讲优势前，我们首先要了解什么是Chiplet？ Chiplet又被称为芯粒或小芯片，被认为是超越摩尔定律的关键技术路线，它通过把不同 Die（裸芯片）的能力模块化，利用新的设计、互联、封装等技术，在一个封装的产品中使用来自不同技术、不同制程甚至不同工厂的芯片，形成一个系统芯片。简单理解来说，就是硅片级别的“解构-重构-复用”。 Chiplet的优势很多，比如： 01 提升芯片的性能和集成度 通过2.5D/3D堆叠的方式，可以实现单位面积上晶体管数量的增加，从而提高算力；同时通过异构互联，还可以进一步满足芯片的复杂度需求，提升其集成度水平。 02 提高芯片的制造良率 芯片良率与芯片面积、工艺制程等息息相关，传统形式下单颗芯片面积很难超过800 mm²，且随着芯片面积的增大、工艺制程的缩小，其良率会不断下降，而采用Chiplet的芯片可以通过降低部分小芯片的工艺制程，加上提前测试保障每一个小模块的良率，来改善大芯片整体的良率。 03 降低芯片的设计和制造成本 Chiplet是模块化思维的设计，可以重复运用在不同的芯片产品当中，相比大规模的SoC而言更容易迭代，成本也低一些。在制造侧，工艺制程越先进、芯片组面积越大、小芯片数量越多，Chiplet封装较SoC单芯片封装的成本就越有优势。 根据白皮书《Chiplets Gain Rapid Adoption:Why Big Chips Are Getting Small》显示，Chiplet技术可以将大型7nm设计的成本降低高达25%；而在5nm及以下工艺制程情况下，节省的成本将更大。 04 降低芯片的设计复杂度 类模块化的设计可以降低芯片的整体设计复杂性，对于很多中小型公司而言，可以加速其产品上市的周期，而对于一些系统级厂商而言，可以降低其自研芯片的准入门槛。此外，由于采用了集成异质化和介质层重新连线，芯片I/O增量化变得更为容易。 05 降低芯片功耗 芯片越大，线从一端跑到另一端，功耗上也是个大问题，而Chiplet可以一定程度上解决该问题。 对于中国来说，Chiplet除了拥有前面提到的优势以外，还被赋予了另一层任务——辅助中国半导体在逆全球化的现实中实现更多的芯片设计、制造国产化。 芯原股份创始人戴伟民表示：“28nm、14nm、5nm将是三个长命工艺制程，Chiplet基本上有这三种工艺制程就够了，当前14nm在设备、材料上会有一点限制，我认为这个限制两年之内会取消，因为卖设备的也要卖嘛，但5nm、7nm用的EUV五年之内很难取消，如果我们采用Chiplet，那么28nm、14nm都有了，唯一就缺5nm，而5nm只会是其中的一小块，相对来说依赖性会好一点。” 而笔者认为，即使在国产14nm产能为存量的局面下，Chiplet也能够增加14nm工艺制程大芯片的良率，并降低其设计、制造和封测成本。 当然，对于为什么要做Chiplet，站在不同的位置，大家的动机各不相同。ARM公司企业应用市场经理 Winnie Shao曾在《Chiplet小芯片的研究报告》一文中总结道：“Marvell最初说的是Mask太贵，赛灵思（已被AMD收购）是突破Die尺寸上限，AMD说良率问题，英特尔上来就是mix-and-match，而Darpa、Facebook等要的是第三方Chiplet的开放繁荣市场。”而就是有这么多的巨头参与其中，才引领了半导体产业链的又一次变革。 行业很火 真正意义的Chiplet一片空白 经过五年多的市场教育，不管是企业面还是投资面，对Chiplet技术的认同感已经非常强。 在“2023中国IC领袖峰会”上，芯耀辉董事长曾克强表示：“Chiplet应用在芯片中的时间还不长，但自2020年开始发展非常快，年复合增长率达到36.4%。”而根据IPnest发布的数据显示：到2031年，整个Chiplet行业市场规模有望达到470亿美元，2021年-2031年十年期年复合增长率保持在36.4%左右，而亚洲将占据超过半数的Chiplet市场。此外，IPnest预测，到2026年，D2D IP市场规模有望达到3.24亿美元，2021年-2026年五年期年复合增长率将达到50%左右。 图源 | IPnest，芯耀辉 Chiplet在释放芯片IP化需求的同时，真正能让Chiplet给整个芯片行业带来活力的是IP芯片化。这似乎听起来有些绕口，事实上如果大家仔细观察前面推出Chiplet产品的公司会发现，他们基本都是在做自己的大芯片产品，对于他们来说可以将大芯片内部的各个模块进行IP化来降低研发成本、提升产品性能和能效比等。但这些企业存在一个共性，那就是Chiplet自研自用，暂时都不对外开放。而真正意义上的Chiplet绝非仅仅自用，IP芯片化将成为大势所趋，但目前该市场一片空白。 曾克强预测：“Chiplet的发展将分为几个阶段，2023年之前的2-3年是Chiplet生态早期阶段，芯片公司对芯片进行分拆，并寻找先进封装组合，各家都按自己的定义协议来做产品，该阶段并未形成统一的标准；进入到2023年，随着工艺制程进入3nm接近物理极限，属于Chiplet的新时代正在开启，设计厂商对自己设计的Chiplet进行自重用和自迭代，同时工艺逐渐成型，互联标准日趋统一；预计到2027年，Chiplet生态将进入成熟期，真正进入IP芯片时代，届时会诞生一批新公司，包括Chiplet设计公司、集成Chiplet的大芯片设计公司、有源基板供应商和支持集成Chiplet的EDA公司等，主要参与Chiplet生态链的四个重要角色包括EDA供应商、IP厂商、封装厂和Fab厂。” Chiplet将优先落地三大领域 Chiplet在哪里？如果跳开落地谈发展那是耍流氓。针对Chiplet产业化，戴伟民指出：“自动驾驶、数据中心、高端平板电脑三大领域有望率先实现落地。 图源 | 芯原股份 自动驾驶 域处理器在自动驾驶中比较需要迭代，如果每次都要做个大SoC，过车规级验证是很困难的，如果采用Chiplet就比较容易迭代。此外，汽车电子对安全的要求很高，两颗Chiplet同时坏的概率比较小，可以用它来做冗余设计。 数据中心 数据中心要集成很多通用的高性能计算模块，但做GPU强的厂商不一定它的视频转码和AI能力就强，为了给云服务商提供更好的产品，常常需要将各种模块做最优的异构结合，此时Chiplet是个很好的选择方向。 高端平板电脑 平板电脑需要各种不同功能的异构处理IP，苹果在高端应用处理器方面走在世界前列，其Mac系列产品上的M1/M2芯片均采用了Chiplet技术。 谁将成为推动IP芯片化的 “第一人”？ Chiplet谁来做？Chiplet谁先做？Chiplet谁付钱？面对这三个问题，戴伟民曾在接受与非网2022年度专题采访中表示：“Chiplet的供应商首先要有IP，因为那是IP芯片化；其次，Chiplet不是软IP，做好了以后还可以改，可以组合再做芯片，所以做好就是infix，因为Chiplet一定是通用的，一家用不够还要多家用，那多家能不能大家都喜欢这样一个定义呢？这就是个问题。所以这家Chiplet供应商不仅要有足够的IP，最好还要会做芯片，做过大芯片，做过先进工艺，懂封装和制造的事情。至于谁来付钱？最好还是众筹一下，所以这家公司的商业模式要比较中立，最好不是产品公司。” 综上，戴伟民认为：“芯原股份作为中国大陆排名第一、全球排名第七的半导体IP供应商，拥有除CPU以外的图形/神经网络/视频/数字信号/图像/显示六大类处理器IP核，同时已推出基于Chiplet架构所设计的高端应用处理器平台，因此芯原股份很可能是全球推出第一批Chiplet的公司，去解决鸡和蛋的问题，等第一批出来以后，其他的Chiplet自然会越来越多。” 与此同时，芯片重构也是国产EDA的导入良机，包括建立统一的EDA设计工具的国产统一标准等。曾克强表示：“由于Chiplet加入了更多的异构芯片和各类总线，相应的EDA覆盖工作就变得更加复杂，需要更多的创新功能。国内EDA企业需要提升相关技术，应对堆叠设计带来的诸多挑战，例如对热应力、布线、散热、电池干扰等的精确仿真。” 图源 | 芯耀辉 对此，合见工软产品工程副总裁孙晓阳透露：“Chiplet会有很多的需求给到合见工软等EDA厂商，而除了内部大量验证以外，合见工软将跟客户一个比特一个比特地去磨，一个功能一个功能地去磨，来打造满足客户需求的好产品。” 此外，在制造和封装侧，Chiplet也需要2.5D和3D先进封装技术支持。当前，通富微电、长电科技和华天科技等国产封测龙头在Chiplet领域已实现技术布局，其中通富微电已为AMD大规模量产Chiplet产品，长电科技的4nm Chiplet技术也已经实现量产。戴伟民认为：“封装是产业发展接下去会遇到的问题，而面板级封装将根本性解决封装问题，大大降低封装的费用。” 写在最后 事实上，Chiplet面临的最关键问题是接口问题，把几块silicon连起来，怎么连？自己连自己好说，要连别人就会有限制。而解决这一问题的最好方法就是确立国际接口标准，2022年3月2日，十大国际一流的公司，包括foundry、芯片原厂和IP厂商等，已经联合起来推出了统一的互联标准——UCIe。 戴伟民说：“UCIe听上去就像PCIe，在计算机行业里面，如果没有PCIe接口标准，不可想象，UCIe实际上就提醒大家，它将像PCIe那样对整个产业发展起到很大的作用，解决接口问题。” 值得一提的是，除了国际标准外，中科院计算所也牵头成立了中国计算机互连技术联盟，CCITA联合集成电路企业和专家共同主导定义了Chiplet接口总线技术要求，并且这是中国首个原生的Chiplet标准，在去年12月15日已经通过了工信部电子工业标准化技术协会的审定并发布。 那么，我们真的需要推Chiplet中国标准吗？是否只要遵循国际标准就够了呢？曾克强认为是有必要的，他表示：“中国要发展自己的Chiplet生态链，也需要有自己的标准。我们自己定义的标准和UCIe有两点不同，UCIe只定义了并口，我们的Chiplet标准既定义了并口，也定义了串口，协议层自定义数据包格式也不同，但是与UCIe是兼容的，直接使用已有生态环境，物理层是兼容UCIe并口，同时增加一个串口，使物理层应用范围更加全面。在封装上面，UCIe支持英特尔、AMD等使用的先进封装，而国内封装水平普遍不够，我们直接使用UCIe在国内产业环境当中是不利于产业发展的，所以CCITA定义的Chiplet标准主要采用国内可实现的技术。”
