封裝產業競爭火熱，Chiplet全球規模超4000億，中國的制勝幾率高嗎？

自遵循IBM的要求，將X86架構和產品授權AMD以來，英特爾和AMD就成為了處理器領域當之無愧的巨頭。尤其在PC時代，這兩者幾無競爭對手，他們也一直引領著芯片設計。

雖然錯過了手機時代，但現在的服務器和AI時代，這兩家半導體“老兵”有了廣大的發揮之地。為了滿足終端的需求，他們也在自己的芯片設計和制造上各出奇招。例如，Chiplet正在成為他們的下一個戰場。

繼該領域的先驅 AMD 之后，英特爾在日前的Intel Innovation活動上也宣布推出基于 Chiplet 的產品 Meteor Lake。據介紹，Meteor Lake 的結構結合了 5 種類型的tile：當中包括了4 種類型的tile（CPU/IO/圖形/SoC）以及位于所有這些tile之下的基本tile。從這顆芯片開始，我們正式見證了英特爾全面進入Chiplet時代。

延續“摩爾定律”經濟成本高企，小芯片技術應運而生

英特爾公司創始人之一戈登·摩爾曾發表“摩爾定律”，指出“在成本不變時，集成電路上可以容納的晶體管數目每經過約18個月至24個月便會增加一倍”。這一判斷在很長時間內都準確預判芯片技術進展——芯片尺寸縮小、晶體管密度增加，且功耗降低。然而，隨著芯片制程逐漸升級至約28nm時，提高晶體管密度的成本升高、設計復雜性增加且開發周期變長，這意味著芯片開發和制造成本開始逐漸上升。并非所有廠商都有能力負擔高昂的研發費用，很長一段時間內都僅有三星和臺積電兩家廠商成功將10nm以下的制程技術推向市場。這意味著“摩爾定律”在經濟性上出現了一定程度的失靈。

在此背景下，小芯片技術應運而生，通過將不同制程節點的多個單一功能的小芯片模塊化拼搭，從而實現更優經濟成本。2015年，美國美滿電子科技公司（Marvell）提出模塊化芯片（Modular Chip，Mochi）概念，旨在拆分SoC芯片的功能，以模塊化的形式構建芯片模組，從而實現更低的設計與生產成本。隨后，AMD公司以平衡性能、功耗和成本為目標推出模塊化處理器芯片“霄龍”（EPYC），使其成為當時功能集成度最高的芯片。同時，AMD公司提出“性能/瓦”（performance/W）和“性能/美元”（performance/$）等芯片經濟性衡量標準。

在小芯片技術出現前，廠商普遍采用SoC的方式，將多個面向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塊晶圓上，包括中央處理器（CPU）、圖形處理器（GPU）、數字信號處理器（DSP）、圖像信號處理器（ISP）等眾多的不同功能的計算單元，以及諸多的接口IP，其追求的是高度的集成化，利用先進制程對所有的單元進行全面的提升。這需要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塊芯片上，因而成本高企、開發難度極大。

而小芯片系統顛覆了上述開發流程，將一塊原本復雜的SoC芯片進行解構，根據功能需求來選擇不同的計算單元或功能單元，并為不同單元分配最合適的制程節點進行設計和制造。最后，通過先進封裝技術將各個單元彼此互連，集成封裝為一個系統級芯片組，有效降低了芯片系統的復雜度和開發成本。

相比于SoC，小芯片具有以下優點。一是可重用知識產權（IP）：同一個小芯片可用于許多不同的設備。二是異構集成：小芯片可以用不同的工藝、材料和制程節點制造，針對其特定功能進行優化。三是高良率：可以在組裝前測試每個小芯片，提高最終器件的良率。


中美開啟Chiplet競速

8月上旬，由英特爾、AMD、高通和英偉達等芯片巨頭發起成立的全球Chiplet生態聯盟UCIe，公布1.1規范版本更新，稱建立Chiplet生態合規和互操作性測試要求，并首次成立汽車工作組推進Chiplet在車芯上落地。早前，AMD發布了全球首個CPU（中央處理器）與GPU（圖形處理器）耦合、擁有1460億晶體管的 AI 加速芯片Instinct MI300，利用13個Chiplet實現性能提升，超越英偉達產品，計劃今年下半年量產。

與此同時，中國也在積極Chiplet技術生態布局。近日，無錫市創投、無錫錫東新城商務區管委會、清源投資、無錫芯光互連技術研究院四方共同發起成立“芯光互連產業基金”，這是國內首個重點關注Chiplet芯片設計的垂直性產業基金項目，并啟動國內Chiplet開發者大賽，推進國內Chiplet技術的應用落地。

“Chiplet熱潮在全世界就兩個國家，一個是美國，一個是中國。”中國工程院院士許居衍8月10日表示，Chiplet技術將改變芯片設計、電子系統的“設計范式”，不僅使設計電路如同“搭積木”成為可能，而且有利于集成電路應用創新。

中國計算機互連技術聯盟秘書長郝沁汾 對鈦媒體App表示，Chiplet技術涉及到芯片全產業鏈，國內包括設計、EDA/IP、封裝和制造環節的企業都在積極關注Chiplet技術進展，成熟工藝和Chiplet技術結合，在某些應用領域能夠接近或替代傳統7nm、5nm先進制程芯片的技術效果。

許居衍院士強調，“中國Chiplet的開放大有可為。”


規模將超4000億，中國同時面臨機遇與挑戰

Chiplet即“小芯片”或“芯粒”，是芯片制造領域近年備受熱議的技術路線，通過把不同芯片的能力模塊化，利用新的設計、互連接口、封裝等技術，在一個封裝的產品中使用來自不同技術、不同制程甚至不同工廠的芯片，從而不僅滿足多元化、差異化市場需求，還能顯著降低芯片開發成本。

早至上世紀70年代，業界就有與Chiplet類似的“多芯片模組”（MCM）概念，后拓展為“多芯片封裝協議”（MCP）、“多元件集成電路”（MCO）等。后來，Chiplet概念由美國半導體公司Marvell創始人周秀文（Sehat Sutardja）于2015年提出的模塊化芯片架構演化而來，AMD率先將其應用于服務器芯片設計。

實際上，從16nm/14nm節點開始，芯片設計和制造成本飆升，一個完全規模化工藝點的更新周期從18個月延長到30個月甚至更長，半導體工藝技術發展帶來的功耗、性能和面積（PPA）收益下降。如今最先進的芯片有數十億個晶體管，但芯片的擴展變得越來越困難，而且擴展所帶來的價格、性能和功率優勢的縮減速度都快于晶體管，尤其超過3nm之后，FinFET（鰭式場效晶體管）技術將失去動力。

同時在價格方面，芯片成本隨著制程工藝升級不斷增加。以先進工藝節點處于主流應用時期的設計成本為例，工藝節點為28nm時，單顆芯片設計平均成本約為4000萬美元，7nm芯片的設計成本為2.17億美元，5nm芯片的設計成本為4.16億美元，3nm的設計將耗資5.9億美元。

因此，考慮到整個芯片制造成本與功效等因素，將一個較大的芯片分解成多個更小的芯片，并根據需要進行混合和匹配的成本更低，產量更高的Chiplet應運而生。

據研究機構Omdia的數據預計，到2024年，Chiplet的市場規模將達到58億美元，是2018年6.45億美元規模的9倍；到2035年，市場規模將進一步擴大到570億美元（約合人民幣4151.08億元）以上，是2018年規模的88倍。預計Chiplet技術將迎來廣闊的發展空間。

據鈦媒體App的統計，目前國內從事Chiplet相關研發的企業和機構主要包括四類：

一是做計算芯片設計的企業，例如寒武紀、壁仞科技、瑞芯微電子（Rockchip）等；

二是以芯原股份、芯耀輝、芯和半導體等 EDA/IP（知識產權）企業；

三是一批新興的專為企業提供Chiplet設計方案的封裝設計服務公司，例如奇異摩爾等；

四是后端封測制造企業，例如長電科技、華天科技、通富微電、甬矽電子等公司。

而且，Chiplet標準方面也備受關注，國內主要包括中科院計算所，工信部電子標準院，以及華為、中興等多家中國企業和科研院所。

國外則主要是UCIe聯盟，發起成員包括AMD、Arm、日月光（ASE）、谷歌云、英特爾、英偉達、Meta、微軟、高通、三星、臺積電以及阿里巴巴；貢獻者成員包括IBM、應用材料、LG、安靠、博世、SK海力士、西門子、長電科技、通富微電、合見工軟等；采用成員包括力積電、芯來科技等。此外，歐洲微電子研發中心（IMEC）也在開展Chiplet相關研究。

郝沁汾向鈦媒體App透露，截至目前，中科院計算所發起的Chiplet組織中國計算機互連技術聯盟（CCITA）成員企業已達100家。

當前，海外企業在Chiplet方向上有多個落地產品、進步速度較為激進。例如臺積電，其正在開發一種名為“集成芯片上系統”(SoIC)的技術，這種技術可以為客戶提供使用芯片的3D設計；而AMD在Chiplet技術上深耕已久，目前7nm CPU和GPU產品均使用了Chiplet設計并封裝，未來AMD還將通過轉接板和更密集的互連減少連線開銷，直接在計算芯片上堆疊存儲芯片，以及3D堆疊技術實現芯片封裝等。

國內方面，今年1月，晶圓封裝龍頭長電科技宣布，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；龍芯中科采用Chiplet技術，研發出一款面向服務器市場的32核CPU處理器龍芯3D5000，已經于今年上半年提供測試樣片；而寒武紀第四代Al處理器MLUarch03、壁仞科技通用GPU BR100等量產芯片也都采用了Chiplet技術。


產業鏈隊伍逐漸壯大

近年里，華為、蘋果、英特爾等巨頭均已自研Chiplet技術并推出相關產品。國內供應鏈也有序發展，今年3月份，中國Chiplet產業聯盟聯合國內系統、IP、封裝廠商一起，共同發布了《芯粒互聯接口標準》 ACC1.0，該標準為高速串口標準，著重基于國內封裝及基板供應鏈進行優化，以成本可控及商業合理性為核心導向。據了解，目前行業正逐步構建一個開放的Chiplet生態系統。

“Chiplet技術在數據中心、高性能計算、AI和5G等領域有著廣泛的應用前景。目前，相關技術已經越來越成熟，主要表現在Chiplet模塊間的互連技術和制程協調管理相關技術在不斷發展和進步；UCIe標準推動Chiplet技術的廣泛應用；許多公司正在Chiplet上投入大量的研發資源；業內對Chiplet技術是半導體行業的一個重要趨勢已形成共識。”鈞山資管董事總經理王浩宇對《證券日報》記者表示。

在應用方面，Chiplet技術也在逐步從理論階段走向實踐階段。不過，王浩宇認為，推動Chiplet技術真正廣泛應用和切實落地，還需行業在幾個方面進一步突破。“在互連技術上仍需突破，同時如何有效地協調和管理不同的制程，也是一個挑戰；有一套標準的Chiplet接口和協議，是推動Chiplet技術落地的關鍵；形成有效的供應鏈和生態系統對于Chiplet技術的落地至關重要；Chiplet技術需持續降低成本、提高效率，如此廠商才會愿意大規模地研發和使用這種技術。”

在北京社科院研究員王鵬看來，以Chiplet為代表的技術發展將在打通行業堵點、堅實算力底座方面起到重要作用，目前Chiplet生態的發展還有很長的路，架構設計和先進封裝需要齊頭并進，產業鏈企業應形成分工，以生態協作方式共同加速Chiplet的落地。