摩爾定律“拯救者”，Chiplet或給國產芯片帶來新價值

國產處理器公司龍芯近日發布了用于服務器市場的具有自主知識產權的新一代3D5000系列芯片。

具體來說，3D5000芯片是使用Chiplet（芯片粒）技術把兩塊之前發布的3C5000芯片互聯和封裝在一起，其中每塊3C5000芯片粒有16個核心，從而實現3D5000的32核設計。除了集成了32個LA464處理器核之外，龍芯3D5000還集成了64MB的L3 Cache，支持最多8個DDR4-3200 DRAM；在可擴展性方面，3D5000可以通過HyperTransport接口構建至多四路處理器，因此單機可以支持多達128核。

在性能方面，龍芯的這款芯片使用的是SMIC的12nm工藝，時鐘頻率可達2.2 GHz。跑分方面，單路和雙路服務器的SPEC CPU2006 Base實測可以超過400分和800分，預計四路服務器的分值可以達到1600分。根據時鐘頻率和跑分結果來看，該芯片性能大約和Intel 2015年的至強CPU（Xeon E5-4620， 2.1GHz，四塊芯片的SPEC CPU2006分數為1550）接近。

我們認為，龍芯的3D5000芯片對于國產自主產權處理器來說是一個重要的里程碑。其重要性不僅僅是由于它的性能在慢慢接近主流處理器水平（雖然還有一段距離），而且在于它使用了Chiplet技術。從芯片架構方面來看，龍芯還有相當的潛力可挖（對照的Intel Xeon E5-4620使用的是32nm工藝），處理器架構方面的技術也不是一朝一夕能解決的，而需要踏踏實實地積累技術——值得欣慰的是，龍芯已經宣布將于明年發布使用全新架構的處理器，其IPC（instruction per cycle，每時鐘周期指令執行數，是CPU最重要的指標之一）可望能達到AMD Zen3水平。另一方面，我們也看到使用12nm工藝確實對于該芯片的時鐘頻率給了很大的限制，在目前主流使用最先進半導體工藝的CPU時鐘頻率都在接近4GHz的時候，3D5000的時鐘頻率僅為其一半左右。但是，這也是3D5000芯片重要的原因，因為它使用了Chiplet技術，而Chiplet技術可望是能成為處理器（以及其他品類的芯片）突破半導體工藝限制瓶頸的最關鍵技術。

摩爾定律“拯救者”

在摩爾定律趨緩下，Chiplet（芯粒）模式成為了半導體工藝發展方向之一。那么，Chiplet為何有如此大的魔力？

所謂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“粒度更小的芯片”。它是一種在先進制程下提升芯片的集成度，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。

想弄明白Chiplet，需要先了解SoC架構的問題。SoC（系統級單芯片）是將多個負責不同類型計算任務的計算單元，通過光刻的形式制作到同一片晶圓上。隨著處理器的核越來越多，芯片復雜度增加、設計周期越來越長，成本大大增加，SoC芯片驗證的時間、成本也在急劇增加，大芯片快要接近制造瓶頸。

特別是一些高端處理芯片、大芯片，當前集成電路工藝已經受到很大挑戰，物理、化學很多方面都達到了極限，單純靠傳統的SoC這條路很難繼續走下去。以7nm工藝節點為例，如果想在每平方毫米要做1億晶體管，這個難度就相當于在一個小小的在指甲蓋上造一座大規模的城市。

當SoC遭遇了瓶頸后，產業各界便開始從系統層面尋找解決方案。在Chiplet之前，大家曾嘗試過各種方式——2011年初，英特爾推出了一種基于FinFET（鰭式場效應晶體管）的商用芯片，將其使用在22nm節點的工藝上；直到如今GAAFET技術、MBCFET技術也相繼問世……

這些技術只是通過改結構而達到縮微的目的，卻讓芯片生產中出現地工藝誤差和加工缺陷越來越嚴重。于是，將大芯片切割成為小芯片（Chiplet）的方案變成了業界提升芯片良品率的一種選擇。

與SoC不同，Chiplet可以將一塊原本復雜的SoC芯片，從設計的時候就按照不同的計算單元或功能單元進行分解，然后每個單元分別選擇最合適的半導體制程工藝進行制造，再通過先進封裝技術將各自單元彼此互聯。

一般芯片生產過程中，一片晶圓會切割出很多裸片，如果發現有缺陷的芯片就會直接剔除。在缺陷分布差不多的情況下，如果晶圓上的裸片越大也就是分割的數量越少，需要剔除的面積越大。Chiplet方案則是將大芯片分割成一塊塊小芯片，盡量將單一裸片面積做小，從而提高芯片良品率。

英特爾公司高級副總裁、中國區董事長王銳在2022世界集成電路大會上表示，Chiplet技術是產業鏈生產效率進一步優化的必然選擇。“不但提高芯片制造良品率，利用最合適的工藝滿足數字、模擬、射頻、I/O等不同技術需求，而且更將大規模的SoC按照不同的功能，分解為模塊化的芯粒，減少重復的設計和驗證環節，大幅度降低設計復雜程度，提高產品迭代速度。”

這便是Chiplet另一個優勢：靈活的設計和更高集成度。由于光刻掩膜版的尺寸限定是33mm*26mm，單個芯片面積一般不會超過800mm2，Chiplet通過多個芯片的片間集成，可以在封裝層面突破單芯片上限，進一步提高集成度。

同時，Chiplet一般會采用先進封裝工藝，對芯片上的部分單元進行選擇性迭代，迭代部分裸芯片后可制作出下一代產品，加速產品上市周期。不僅如此，，Chiplet還可以將已知合格裸片組合有效縮短芯片的研發周期，節約研發投入成本。此外，Chiplet芯片集成應用廣泛和成熟的芯片裸片，還能降低芯片研制風險，重新流片及封裝的次數，這也解決了不少芯片公司的痛點。

這兩個優勢匯合在一起，讓Chiplet的成本優勢得以放大。隨著工藝演進，實現相同功能的情況下單芯片面積幾乎不會縮小，Chiplet能合理地將不同功能有效劃分到不同工藝節點的芯片上，可以有效降低成本。

越是先進工藝，Chiplet的成本優勢越是明顯。清華交叉院博士研究生馮寅瀟曾在論文中寫道，在800mm2面積的單片系統中，硅片缺陷導致的額外成本占總制造成本的50%以上。對于成熟工藝(14nm)，盡管產量的提高也節省了高達35%的成本，但由于D2D接口和封裝開銷(MCM：>25%，2.5D：>50%)，多芯片的成本優勢減弱。

綜合來看，先進制程逼近物理極限的情況下，Chiplet可能是延續摩爾定律的重要手段。

chiplet也許是國產芯片的機會

我國晶圓代工廠率先涉足先進封裝技術，而傳統半導體封測廠商也開始有了新的計劃。

長電將在2022年至2024年間推出2.5D、3D等更為先進的封裝技術。面向chiplet異構集成應用的市場需求，長電還將推出XDFOI系列解決方案。

通富微電已經大規模生產Chiplet產品，7nm產品已大規模量產，5nm產品已完成研發即將量產，技術實力上升到前所未有高度，公司先進封裝收入占比已超過70%。

華天科技已自主研發出達到國際先進或國內領先水平的多芯片封裝(MCP)技術、多芯片堆疊(3D)封裝技術、薄型高密度集成電路技術、集成電路封裝防離層技術。

隨著硅過孔、扇出技術在國內普遍運用，中國封測企業相比之下于國際尖端差距更小，在chiplet背景下，也許能彌補落后制程的遺憾。

目前由于地緣政治的影響，中國的半導體行業受到了種種限制，尤其是開發自主知識產權的關鍵芯片（如國產CPU，或者之后有可能受到影響的其他高性能計算芯片）的公司難以使用最先進的半導體工藝節點。另一方面，中國的半導體fab同樣由于受到地緣政治的影響，難以快速追趕全球最先進的工藝節點，而目前只能主要生產成熟工藝節點（如28nm），或者是介于成熟工藝和先進工藝之間的工藝節點（例如SMIC今年剛開始大規模量產14nm，未來幾年可望做到10nm以下）。即使是介于成熟工藝和先進工藝之間的工藝節點，也會存在良率較低等問題，需要時間來解決。

在這樣的情況下，國產自主知識產權芯片在受到地緣政治影響下只能使用較落后的工藝節點，那么使用Chiplet這樣的高級封裝技術就成為了突破工藝限制，或者說至少減少工藝對于芯片影響的一種重要技術。

首先，從架構上來說，以CPU為例，當單核性能受到工藝的限制難以做到很強，時鐘頻率難以跑到很高的時候，使用多核就是一種重要的提高性能的選項。當在核心數量上做提升的時候，確保核心與核心之間的高性能數據互聯就是一項重要的任務，而這項任務使用基于Chiplet的技術可以較為容易地實現，從而保證多核處理器的總性能能以和核心數量呈接近線性的方式提升。我們認為，這樣的設計方式不僅僅對于CPU這樣的處理器有效，而且對于其他高性能計算芯片，例如汽車芯片、GPU等等都有意義，因此龍芯的3D5000芯片對于整個行業都有很大的借鑒意義。我們認為，未來這種使用Chiplet方法的眾核CPU很可能是國產CPU的主流做法，而龍芯這次發布的芯片將會是這方面的先驅者之一。

其次，從良率角度來看，如前所述國內的Fab由于良率可能會存在一定的提升空間，而良率又會影響到芯片的成本。為了國產芯片能有較低的成本可以在市場上有競爭力，必須保證總體良率足夠好，而這個時候Chiplet就能提供幫助。具體的原因是，在使用同一工藝的前提下，總體芯片的良率和芯片的尺寸有關，即在單個芯片上集成越多晶體管，總體芯片尺寸越大，則芯片良率越低；如果工藝本身的良率就有提升空間，那么對于芯片尺寸較大的CPU或者高性能計算芯片，總體的芯片良率就會很低。為了解決這個問題，可行的做法是把一個大芯片拆成多個小的芯片粒，這樣單個芯片粒的面積就會較小，從而良率得到了保證，從而整體上可以用高級封裝的方法來實現在工藝良率還在提升的時候，也能實現較高良率的高集成度芯片。


結語

Chiplet，一個被眾人寄予厚望的新產業。

目前來看，Chiplet技術主要應用在自動駕駛、數據中心、消費電子、高性能計算、高端智能芯片等領域。隨著下游產業發展，Chiplet市場前景廣闊。預計2025-2035年，全球Chiplet市場規模將從65億美元增長至600億美元，行業發展進入高速增長階段。

但Chiplet本質上還是一個集成的技術，還存在互聯，散熱等一系列集成相關的技術難點。同時，Chiplet所涉及的幾項核心技術，如芯片設計、EDA/IP、封裝技術或者缺失或者處于技術發展初期，在國內的生態還沒建立。而這一系列的工作都十分具有挑戰性。

好在中國也在為打造更全面、更開放的Chiplet生態系統而努力。2022年12月，在第二屆中國互連技術與產業大會上，*由中國集成電路領域相關企業和專家共同主導制定的《小芯片接口總線技術要求》團體標準正式通過工信部中國電子工業標準化技術協會的審定并發布。《小芯片接口總線技術要求》 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。在形成圍繞Chiplet設計的廣泛設計分工基礎之上，這一標準也利于形成Chiplet標準。

總而言之，面對著新技術帶來的光明前景，我們更要看到未來道路的重重荊棘。在發展先進工藝過程中，我們可以歡呼、可以激動，但絕不可有任何投機取巧心理。眼下，國產廠商唯有腳踏實地，正面迎擊困難，方得始終。