中國半導體自主的“救命稻草”，企業紛紛入局的Chiplet魅力在哪？

近期，中國成立了自己的Chiplet（小芯片，或芯粒）聯盟，由多家芯片設計，IP，以及封裝、測試和組裝服務公司組成，同時推出了相應的互連接口標準ACC 1.0。

在美國打壓，中國尋求半導體產業鏈關鍵環節自主可控的當下，這一聯盟的成立，頗有與由AMD、Arm、英特爾、臺積電和ASE（日月光）主導的UCIe聯盟分庭抗禮的意味。

從技術層面來看，Chiplet的價值和發展前景已經在全球半導體界達成普遍共識。


關于Chiplet

Chiplet并不是創新概念，它很早就被提出來了，只是市場應用需求沒有發展到這一步，因此長期處于“隱身”狀態。之所以在近幾年火熱起來，主要原因是先進制程（5nm及以下）的成本高的驚人，絕大多數芯片企業難以負擔。Chiplet則可以在很大程度上解決這一問題。

2022年12 月 16 日，首個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“第二屆中國互連技術與產業大會”上通過工信部中國電子工業標準化技術協會的審定并發布，這是中國首個原生 Chiplet 技術標準。

這項標準中介紹小芯片接口技術有以下應用場景：

1、C2M (Computing to Memory)，計算芯片與存儲芯片的互連。

2、C2C (Computing to Computing)，計算芯片之間的互連。兩者連接方式：

3、采用 并行單端 信號相連，多用于 CPU 內多計算芯片之間的互連。

4、采用 串行差分 信號相連，多用于 AI、Switch 芯片性能擴展的場景。

5、C2IO (Computing to IO)，計算芯片與 IO 芯片的互連。

6、C2O (Computing to Others)，計算芯片與信號處理、基帶單元等其他小芯片的互連。


Chiplet的優勢

Chiplet可以把傳統的單芯片設計方案改成多芯片（Die）進行設計，并利用先進封裝工藝進行集成。它的優勢主要有以下幾點：

1、提升芯片制造良率，由于良率和芯片的面積有關，面積越大，良率大概率會越低，因此，把一個大芯片分拆成多個小芯片（Die）設計并分別投片，就可以提高良率，良率提升，還可以降低制造成本。

2、以不同的工藝實現一顆芯片，用先進制程制造CPU等計算核心，用相對成熟的制程制造I/O之類的功能塊，可以很好地控制整體成本。

3、設計更加靈活，設計出的Die，通過不同的組合方式，可設計出不同功能的芯片。

雖然有這么多好處，但Chiplet技術并不成熟，各種Die、接口I/O、總線等，與常規的SoC有很大區別，需要制定統一的標準，從而使產業鏈上的設計、制造、封裝等廠商能按照標準操作，才能實現高效、規模化生產。因此，UCIe和ACC 1.0等行業規范相繼推出。

Chiplet面臨的挑戰

Chiplet優點很多，同時也面臨著很多問題，會阻礙其發展：

1、應用場景，并不是所有應用類型的芯片都適合做Chiplet，目前來看，CPU、GPU等處理器最適合做Chiplet，而且是在高性能應用領域，像智能手機等消費類電子設備用的芯片，很少需要采用Chiplet設計，

2、成本，只有傳統SoC成本達到一定量級，改用Chiplet設計才劃算，成本是近些年Chiplet越來越火爆的關鍵，原因在于以7nm、5nm、3nm，以及未來的2nm、1nm為代表的先進制程，生產成本對于絕大多數芯片企業而言是天文數字，只有少數企業能夠承擔。因此，將采用多種制程的Die“混裝”起來的Chiplet設計，就成為了多數企業可以采用先進制程的解決方案，這樣不僅可以享受到先進制程的好處，還可以有效控制總體成本。

關于采用Chiplet設計方案的成本臨界點，馬愷聲老師在“算一算Chiplet的成本”一文中有過分析，總結為以下兩方面：

（1）、如果芯片面積在200平方毫米以下，沒有必要做Chiplet，真正有收益的是在800平方毫米以上的大芯片。（2）、當硅片缺陷的成本超過封裝成本時，Chiplet架構會產生明顯的成本效益

3、良率問題，當一個采用Chiplet架構的芯片完成封裝，由于內部有多個Die，有的芯片內部功能塊繁多且復雜，處理器、內存和I/O控制等組合在一起，可能有100多個Die，假設一種Die的良率超過90%，那么它們組合在一起，整個芯片的良率肯定不到90%，且組成的Die越多，整體良率越低。低良率會給封裝廠和芯片擁有者帶來很多麻煩，其實，歸根結底，還是成本問題。

4、測試問題，在多數情況下，很難判斷Die是否可以在封裝完成之前正常工作，當不同的Die并排放置時，芯片頂部的I/O焊盤很小，而且極難直接測試。為了與探頭良好接觸，需要施加相當大的壓力，這可能會損壞觸點和芯片內部結構。盡管晶圓代工廠會測試晶圓，但這種測試難以做到詳盡無遺，實際上只是為了篩選出明顯的缺陷。目前，面對這一測試問題，業界知名封測大廠，以及頂尖科研機構都提出過解決方案，但都屬于摸索階段，并未成熟。

綜上，Chiplet有很多優勢，同時，要想拓展更廣闊的市場，面臨的問題也不少，還需要不斷探索。


企業紛紛入局Chiplet

寒武紀的思元370是采用Chiplet（Chiplet）技術的AI芯片,它將2顆AI計算Chiplet封裝為一顆AI芯片。

壁仞科技最近發布的通用GPU芯片BR100也采用了Chiplet的設計理念，并且發布了單個Chiplet產品BR104，Chiplet的設計方案使之一次流片，得到兩種芯片。

2022年7月25日，超摩科技宣布完成超億元Pre-A輪融資，本輪融資由達泰資本領投，云岫資本擔任獨家財務顧問。北京超摩科技成立于2021年，是一家基于Chiplet架構的高性能CPU設計公司。

2022年8月15日，奇異摩爾（上海）集成電路有限公司（以下簡稱“奇異摩爾”）宣布完成億元種子及天使輪融資，奇異摩爾成立于2021年初，專注于2.5D及3DIC Chiplet產品及服務，主要提供高性能通用底座Base die、高速接口ChipletIO Die、Chiplet軟件設計平臺等產品。

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采用Chiplet設計的時候，才能使國內整個Chiplet生態更成熟穩定。

2022年3月，由AMD、Arm、ASE、Google Cloud、英特爾、Meta、微軟、高通、三星和臺積電等行業領軍企業聯合宣布成立UCIe產業聯盟，共同打造Chiplet互聯標準、推進開放式的Chiplet生態，并制定UCIe的相關技術標準和規范。此后，云服務廠商、芯片代工廠、系統原始設備制造商、芯片IP供應商和芯片設計公司紛紛加入UCIe聯盟，不難看出計算產業對于Chiplet標準建設和生態構建的期許

國內企業中，芯原微電子、芯動科技、長鑫存儲、芯和半導體、芯耀輝、摩爾精英、燦芯半導體、憶芯科技、牛芯半導體、芯云凌、超摩科技、希姆計算、世芯電子、阿里巴巴、輝羲智能、OPPO、愛普科技、力積存儲、藍洋智能等多家國內企業已成為 UCIe 聯盟成員。

Chiplet是中國半導體的“救命稻草”嗎？

不止在國際，近幾年，Chiplet在中國大陸也非常火爆，特別是美國開始打壓中國半導體業以來，可以減少先進制程用量，同時又能享受到先進制程好處的Chiplet備受期待。

首先要肯定的是，中國發展Chiplet是沒錯的，無論是技術本身，還是應用需求，它都代表著未來的發展方向。不過，對Chiplet寄予過高期待，指望它解決關鍵問題，就有些跑偏了。

首先，如前文所述，在目前和未來相當長一段時期內，Chiplet設計主要用于大型CPU和GPU等處理器，那么，中國的相關芯片發展情況如何呢？

CPU方面，目前，國產CPU，特別是大芯片，與國際大廠存在明顯差距：首先，CPU各項參數（核心數、主頻、內存信道等）、性能有較大提升空間，與英特爾和AMD相比，國產CPU在先進制程的晶圓加工工藝方面存在較大差距，這也會影響整體性能表現。

國產CPU代表企業主要包括龍芯中科、華為海思、飛騰、兆芯等，而這些企業的產品多以PC、嵌入式應用為主，涉獵大芯片的不多，只有華為海思、寒武紀科技等少數企業重點研發采用7nm及更先進制程的服務器芯片和AI芯片。

GPU方面，英偉達等國際GPU龍頭企業已經牢牢構建了專利墻，中國廠商在開發過程中，繞開現有專利具備一定難度。無論是老牌企業，如景嘉微和海光，還是新興創業公司，如芯動科技、壁仞科技、摩爾線程、沐曦集成電路、天數智芯等，大多還處于發展初期，且所設計的芯片規模有限，采用Chiplet設計的還不多。不過，這些GPU企業，特別是創業公司，還是有很大發展潛力的，雖然短期內難以在大芯片領域形成規模，但長期發展前景還是值得期待的。例如，在云端GPGPU方面，天數智芯是最近幾年異軍突起的本土企業，該公司推出的7nm制程云端訓練和推理GPGPU，能夠為云端AI訓練和HPC通用計算提供高算力和高能效比。類似這樣的芯片是中國本土Chiplet技術發展的希望。

還有一點很重要，那就是IP。與SoC相比，Chiplet設計需要更多IP，中國大陸在IP設計和供給方面還有很長的路要走。

對于中國發展Chiplet，清華大學教授、中國半導體行業協會副理事長魏少軍持謹慎樂觀的態度，2022年，在一次接受媒體采訪時，他表示，不管Chiplet怎么發展，它還是要先有Chip（芯片），所以其目標還是在成本可控情況下的異質集成，只能是先進工藝的補充。

魏少軍認為，中國集成電路產業總體上還處在追趕過程中，Chiplet的出現并不能使這一態勢發生根本性改變。如果說我們今天的芯片設計主要依賴國外的IP和EDA工具，那么在Chiplet時代，我們用到的芯粒和EDA工具大概率還是依賴國外廠商。不過，魏少軍也指出，中國企業亦可在Chiplet上有所作為，比如中國企業可以借助Chiplet更快地發展應用。

Chiplet的出現給芯片行業開辟了一片新天地，后續很可能會出現一種新的商業模式，即通過集成標準芯粒來構建專用芯片的企業，這也是一些國際大廠打造Chiplet標準的原因。通過標準的設立，可以把自己生產的芯片變成Chiplet企業使用的“標準產品”，被不斷地集成到各種最終應用中，從而擴大自己的市場。就這方面而言，中國成立自己的Chiplet聯盟，并推出相應的互連接口標準ACC 1.0，還是很有前瞻性的，這從一個側面體現出中國相關企事業單位要從底層做起，發展本土Chiplet的愿望。

總體而言，Chiplet有很好的應用和發展前景，但它不是中國半導體業沖刺國際先進水平的靈丹妙藥。要想提升全行業競爭力，還是要有決心和毅力，秉持十年磨一劍的精神，全方位發展本土半導體材料、設備、IP、設計和制造水平。