【导读】自遵循IBM的要求，将X86架构和产品授权AMD以来，英特尔和AMD就成为了处理器领域当之无愧的巨头。尤其在PC时代，这两者几无竞争对手，他们也一直引领着芯片设计。
虽然错过了手机时代，但现在的服务器和AI时代，这两家半导体“老兵”有了广大的发挥之地。为了满足终端的需求，他们也在自己的芯片设计和制造上各出奇招。例如，Chiplet正在成为他们的下一个战场。
继该领域的先驱 AMD 之后，英特尔在日前的Intel Innovation活动上也宣布推出基于 Chiplet 的产品 Meteor Lake。据介绍，Meteor Lake 的结构结合了 5 种类型的tile：当中包括了4 种类型的tile（CPU/IO/图形/SoC）以及位于所有这些tile之下的基本tile。从这颗芯片开始，我们正式见证了英特尔全面进入Chiplet时代。
延续“摩尔定律”经济成本高企，小芯片技术应运而生
英特尔公司创始人之一戈登·摩尔曾发表“摩尔定律”，指出“在成本不变时，集成电路上可以容纳的晶体管数目每经过约18个月至24个月便会增加一倍”。这一判断在很长时间内都准确预判芯片技术进展——芯片尺寸缩小、晶体管密度增加，且功耗降低。然而，随着芯片制程逐渐升级至约28nm时，提高晶体管密度的成本升高、设计复杂性增加且开发周期变长，这意味着芯片开发和制造成本开始逐渐上升。并非所有厂商都有能力负担高昂的研发费用，很长一段时间内都仅有三星和台积电两家厂商成功将10nm以下的制程技术推向市场。这意味着“摩尔定律”在经济性上出现了一定程度的失灵。
在此背景下，小芯片技术应运而生，通过将不同制程节点的多个单一功能的小芯片模块化拼搭，从而实现更优经济成本。2015年，美国美满电子科技公司（Marvell）提出模块化芯片（Modular Chip，Mochi）概念，旨在拆分SoC芯片的功能，以模块化的形式构建芯片模组，从而实现更低的设计与生产成本。随后，AMD公司以平衡性能、功耗和成本为目标推出模块化处理器芯片“霄龙”（EPYC），使其成为当时功能集成度最高的芯片。同时，AMD公司提出“性能/瓦”（performance/W）和“性能/美元”（performance/$）等芯片经济性衡量标准。
在小芯片技术出现前，厂商普遍采用SoC的方式，将多个面向不同类型计算任务的计算单元，通过光刻的形式制作到同一块晶圆上，包括中央处理器（CPU）、图形处理器（GPU）、数字信号处理器（DSP）、图像信号处理器（ISP）等众多的不同功能的计算单元，以及诸多的接口IP，其追求的是高度的集成化，利用先进制程对所有的单元进行全面的提升。这需要将多个负责不同类型计算任务的计算单元，通过光刻的形式制作到同一块芯片上，因而成本高企、开发难度极大。
而小芯片系统颠覆了上述开发流程，将一块原本复杂的SoC芯片进行解构，根据功能需求来选择不同的计算单元或功能单元，并为不同单元分配最合适的制程节点进行设计和制造。最后，通过先进封装技术将各个单元彼此互连，集成封装为一个系统级芯片组，有效降低了芯片系统的复杂度和开发成本。
相比于SoC，小芯片具有以下优点。一是可重用知识产权（IP）：同一个小芯片可用于许多不同的设备。二是异构集成：小芯片可以用不同的工艺、材料和制程节点制造，针对其特定功能进行优化。三是高良率：可以在组装前测试每个小芯片，提高最终器件的良率。
中美开启Chiplet竞速
8月上旬，由英特尔、AMD、高通和英伟达等芯片巨头发起成立的全球Chiplet生态联盟UCIe，公布1.1规范版本更新，称建立Chiplet生态合规和互操作性测试要求，并首次成立汽车工作组推进Chiplet在车芯上落地。早前，AMD发布了全球首个CPU（中央处理器）与GPU（图形处理器）耦合、拥有1460亿晶体管的 AI 加速芯片Instinct MI300，利用13个Chiplet实现性能提升，超越英伟达产品，计划今年下半年量产。
与此同时，中国也在积极Chiplet技术生态布局。近日，无锡市创投、无锡锡东新城商务区管委会、清源投资、无锡芯光互连技术研究院四方共同发起成立“芯光互连产业基金”，这是国内首个重点关注Chiplet芯片设计的垂直性产业基金项目，并启动国内Chiplet开发者大赛，推进国内Chiplet技术的应用落地。
“Chiplet热潮在全世界就两个国家，一个是美国，一个是中国。”中国工程院院士许居衍8月10日表示，Chiplet技术将改变芯片设计、电子系统的“设计范式”，不仅使设计电路如同“搭积木”成为可能，而且有利于集成电路应用创新。
中国计算机互连技术联盟秘书长郝沁汾 对钛媒体App表示，Chiplet技术涉及到芯片全产业链，国内包括设计、EDA/IP、封装和制造环节的企业都在积极关注Chiplet技术进展，成熟工艺和Chiplet技术结合，在某些应用领域能够接近或替代传统7nm、5nm先进制程芯片的技术效果。
许居衍院士强调，“中国Chiplet的开放大有可为。”
规模将超4000亿，中国同时面临机遇与挑战
Chiplet即“小芯片”或“芯粒”，是芯片制造领域近年备受热议的技术路线，通过把不同芯片的能力模块化，利用新的设计、互连接口、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，从而不仅满足多元化、差异化市场需求，还能显著降低芯片开发成本。
早至上世纪70年代，业界就有与Chiplet类似的“多芯片模组”（MCM）概念，后拓展为“多芯片封装协议”（MCP）、“多元件集成电路”（MCO）等。后来，Chiplet概念由美国半导体公司Marvell创始人周秀文（Sehat Sutardja）于2015年提出的模块化芯片架构演化而来，AMD率先将其应用于服务器芯片设计。
实际上，从16nm/14nm节点开始，芯片设计和制造成本飙升，一个完全规模化工艺点的更新周期从18个月延长到30个月甚至更长，半导体工艺技术发展带来的功耗、性能和面积（PPA）收益下降。如今最先进的芯片有数十亿个晶体管，但芯片的扩展变得越来越困难，而且扩展所带来的价格、性能和功率优势的缩减速度都快于晶体管，尤其超过3nm之后，FinFET（鳍式场效晶体管）技术将失去动力。
同时在价格方面，芯片成本随着制程工艺升级不断增加。以先进工艺节点处于主流应用时期的设计成本为例，工艺节点为28nm时，单颗芯片设计平均成本约为4000万美元，7nm芯片的设计成本为2.17亿美元，5nm芯片的设计成本为4.16亿美元，3nm的设计将耗资5.9亿美元。
因此，考虑到整个芯片制造成本与功效等因素，将一个较大的芯片分解成多个更小的芯片，并根据需要进行混合和匹配的成本更低，产量更高的Chiplet应运而生。
据研究机构Omdia的数据预计，到2024年，Chiplet的市场规模将达到58亿美元，是2018年6.45亿美元规模的9倍；到2035年，市场规模将进一步扩大到570亿美元（约合人民币4151.08亿元）以上，是2018年规模的88倍。预计Chiplet技术将迎来广阔的发展空间。
据钛媒体App的统计，目前国内从事Chiplet相关研发的企业和机构主要包括四类：
一是做计算芯片设计的企业，例如寒武纪、壁仞科技、瑞芯微电子（Rockchip）等；
二是以芯原股份、芯耀辉、芯和半导体等 EDA/IP（知识产权）企业；
三是一批新兴的专为企业提供Chiplet设计方案的封装设计服务公司，例如奇异摩尔等；
四是后端封测制造企业，例如长电科技、华天科技、通富微电、甬矽电子等公司。
而且，Chiplet标准方面也备受关注，国内主要包括中科院计算所，工信部电子标准院，以及华为、中兴等多家中国企业和科研院所。
国外则主要是UCIe联盟，发起成员包括AMD、Arm、日月光（ASE）、谷歌云、英特尔、英伟达、Meta、微软、高通、三星、台积电以及阿里巴巴；贡献者成员包括IBM、应用材料、LG、安靠、博世、SK海力士、西门子、长电科技、通富微电、合见工软等；采用成员包括力积电、芯来科技等。此外，欧洲微电子研发中心（IMEC）也在开展Chiplet相关研究。
郝沁汾向钛媒体App透露，截至目前，中科院计算所发起的Chiplet组织中国计算机互连技术联盟（CCITA）成员企业已达100家。
当前，海外企业在Chiplet方向上有多个落地产品、进步速度较为激进。例如台积电，其正在开发一种名为“集成芯片上系统”(SoIC)的技术，这种技术可以为客户提供使用芯片的3D设计；而AMD在Chiplet技术上深耕已久，目前7nm CPU和GPU产品均使用了Chiplet设计并封装，未来AMD还将通过转接板和更密集的互连减少连线开销，直接在计算芯片上堆叠存储芯片，以及3D堆叠技术实现芯片封装等。
国内方面，今年1月，晶圆封装龙头长电科技宣布，公司XDFOI Chiplet高密度多维异构集成系列工艺已按计划进入稳定量产阶段，同步实现4nm节点多芯片系统集成封装产品出货；龙芯中科采用Chiplet技术，研发出一款面向服务器市场的32核CPU处理器龙芯3D5000，已经于今年上半年提供测试样片；而寒武纪第四代Al处理器MLUarch03、壁仞科技通用GPU BR100等量产芯片也都采用了Chiplet技术。
产业链队伍逐渐壮大
近年里，华为、苹果、英特尔等巨头均已自研Chiplet技术并推出相关产品。国内供应链也有序发展，今年3月份，中国Chiplet产业联盟联合国内系统、IP、封装厂商一起，共同发布了《芯粒互联接口标准》 ACC1.0，该标准为高速串口标准，着重基于国内封装及基板供应链进行优化，以成本可控及商业合理性为核心导向。据了解，目前行业正逐步构建一个开放的Chiplet生态系统。
“Chiplet技术在数据中心、高性能计算、AI和5G等领域有着广泛的应用前景。目前，相关技术已经越来越成熟，主要表现在Chiplet模块间的互连技术和制程协调管理相关技术在不断发展和进步；UCIe标准推动Chiplet技术的广泛应用；许多公司正在Chiplet上投入大量的研发资源；业内对Chiplet技术是半导体行业的一个重要趋势已形成共识。”钧山资管董事总经理王浩宇对《证券日报》记者表示。
在应用方面，Chiplet技术也在逐步从理论阶段走向实践阶段。不过，王浩宇认为，推动Chiplet技术真正广泛应用和切实落地，还需行业在几个方面进一步突破。“在互连技术上仍需突破，同时如何有效地协调和管理不同的制程，也是一个挑战；有一套标准的Chiplet接口和协议，是推动Chiplet技术落地的关键；形成有效的供应链和生态系统对于Chiplet技术的落地至关重要；Chiplet技术需持续降低成本、提高效率，如此厂商才会愿意大规模地研发和使用这种技术。”
在北京社科院研究员王鹏看来，以Chiplet为代表的技术发展将在打通行业堵点、坚实算力底座方面起到重要作用，目前Chiplet生态的发展还有很长的路，架构设计和先进封装需要齐头并进，产业链企业应形成分工，以生态协作方式共同加速Chiplet的落地。
来源：贤集网
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