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【芯调查】Chiplet热潮下的误解与迷思:是机遇而非救世主

来源:爱集微

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09-03 12:25

集微网报道(文/王小方) 即便存在一些争议,这股Chiplet的热潮仍将延续。

眼下,Chiplet俨然已成为二级市场最热门的题材之一。然而每当一个新的热点涌现,免不了引起人们内心的警惕。对Chiplet而言,提出质疑之声是必要的,因为即便是对其有着深刻认识的业内人士,也会在某些概念和对Chiplet的预期上产生分歧。

集微网在与多位业内人士交流后发现,这股“Chiplet热”与国内目前的独特语境有关。随着美国制裁的升级,芯片国产化的呼声愈加高涨,行业情绪正迫切需要一个出口,Chiplet适时出现并迅速被捕获。

然而,在一片喧嚣中,Chiplet却逐渐走形,并被夸大成一种颠覆性技术,更有甚者将其视为国内半导体产业摆脱掣肘,实现快速弯道超车的抓手。他们似乎忘记了,对国内半导体产业而言,从来就没有什么救世主。

Chiplet遭遇片面理解

“狭义上的Chiplet并不适合国内半导体产业发展的实际情况。”电子科技大学副教授黄乐天开门见山地表明自己的看法,这让人颇感意外。

“国内发展先进封装、异构集成的路线是对的,但发展方向不应是Chiplet,起码不应是头部大厂目前所做的Chiplet。因为Chiplet旨在解决先进制程面临的高成本、低良率问题,它是建立在先进封装工艺基础上的一种设计方法,在既没有先进制程且先进封装工艺尚薄弱的情况下,扬言发展Chiplet就不免显得有些荒诞了。”黄乐天直言。

在先进制程不断升级,摩尔定律愈发难以为继的背景下,Chiplet宛如一场“及时雨”。一方面,随着先进制程的发展,芯片的设计成本、复杂度大幅提升;另一方面,随着整个社会数字化、智能化程度的提升,大数据、消费电子、自动驾驶等需求正日趋多样,芯片创新周期不断压缩,市场对定制化芯片的需求也在大幅提升。

很长一段时间,SoC通过增加晶体管的集成密度提升芯片的PPA。而Chiplet的主要功能则是将SoC中的功能块进行拆分,再将不同工艺制程、不同性质的芯片整合在一起,通过二维芯片的堆叠、三维方向的连接,提升芯片间的集成密度,借此绕开先进制程方面的制约,用相对成熟的工艺实现,使得芯片生产成本更低,以及缩短产品开发周期,加速产品迭代。

芯和半导体联合创始人代文亮博士认为,相较于以往的常规工艺,Chiplet主要带来两方面的改变:一个是解决内存带宽跟不上处理器速度提升的问题,即“内存墙”问题;另一个则是提高良率。基于晶圆级的先进封装走线密度短,信号传输速率有很大提升空间,还能大大提高互连密度。

将大的SoC芯片切分成多个小芯片,甚至芯粒(Chiplet),然后使用先进的封装技术将它们连接在一起,这是对Chiplet实现方式最简要的通俗化概括。

对此,知名半导体专家陈启作了更进一步的解读:Chiplet可以拆解成三层概念,分别是异构架、小芯粒和系统级集成。其中,异构架主要指异构融合,一种说法称未来芯片设计将如同“搭积木”,就是指不同的芯片异构融合到一起;小芯粒则是指将大核SoC的中的各个功能单元的IP拆分重排,在设计效率和制造成本上寻找平衡点;系统级集成包含软集成和硬集成,软集成又包含系统级软件和操作系统,以及总线的互联标准,硬集成则是2D/2.5D/3D堆叠封装,是先进封装技术的再升级。

从产业链的视角,Chiplet是一个系统级工程,涉及设计、晶圆制造、封装、测试等多个环节。长电科技首席执行长郑力表示,从封测的角度看,核心在于如何在封装过程中通过优化布局获得更好的性能。同时,Chiplet技术的发展也必然要求芯片互联技术的进化,以及建立更多样化的互联新标准。

热潮涌动之下,不少对Chiplet的错误解读甚嚣尘上,将其视作先进制程的替代解决方案。它们通常盲目地夸大Chiplet的变革作用,又忽视其在技术及产业化上面临的挑战,仿佛Chiplet触手可得,如同搭积木般简单,倘若如此,半导体国产化实现弯道超车也不过是一件轻松事儿了。

对眼前的这股“Chiplet热”,陈启认为务必保持一定的克制。不少人被市场中喧嚣的声音裹挟,误解了Chiplet的真实含义,想当然地将其与先进制程的发展对立起来。甚至认为只要有了Chiplet技术,中国就可以摆脱美国的限制,或用Chiplet取代先进制程,这些都是十分片面的理解。

目前看来,业界对Chiplet的争论似乎很容易落入一个“陷阱”,真正的核心在于对Chiplet与先进封装两个概念的边界划定不清,进而轻易将二者混淆。本质上看,Chiplet并非一种特定技术,而是一种创新理念,是多种多样封装技术的集合,同时,带来芯片设计模式和方法的变更。

图 UCIe当前所覆盖的封装形式(数据来源:UCIe白皮书)

Chiplet国产化的机遇与局限

对Chiplet而言,有一个不容忽视的关键点,即它的出现源自先进制程的发展遭遇瓶颈。

相较不计成本地探索新工艺、新材料,Chiplet打开了一种新的思路,它不仅能降低芯片的开发成本,还能更好地把控良率。不过,将Chiplet与眼下芯片国产替代的愿景联系起来后,显然又产生了不同涵义。

由于Chiplet由多个芯片异构集成,每个芯片只需使用最合适的工艺节点,而非所有芯片都使用最先进的工艺节点,这就能更有效地利用国内已有的晶圆厂产线,降低先进工艺节点封锁带来的阻力,为国内半导体行业的侧面突围提供了一个非常好的机遇。

“Chiplet是一个方向,而非具体的技术,它可以使用多种封装技术来实现,对国内半导体产业而言,在先进制程发展受限的情况下,Chiplet带来的最大意义在于以时间换空间,而非根本的解决之道。”集微咨询业务总监陈跃楠表示。

从长远的发展看,Chiplet将给国内半导体产业链带来革命性的变化。代文亮认为,在国际上具有相当实力的国内封装与基板厂商可能是短期内最大受益者。同时,Chiplet是对传统SiP技术的继承与发展。Chiplet具有迭代周期快、成本低、良率高等一系列优越特性,并且,这种“搭积木”式的设计方式,尤其适合我国系统设计企业切入。

Chiplet倡导的是以系统设计为驱动,将设计、制造、封测工程师在一个协作平台上有效串联,这对传统的单芯片的EDA流程将带来巨大挑战。代文亮表示,目前,EDA国际三巨头都在齐头并进,希望尽快形成新的设计流程并形成客户粘性。芯和作为国内唯一一家已经在Chiplet先进封装领域进行布局的EDA公司,也面临着巨大机遇。

“先进封装,或者说芯片成品制造,可能成为后摩尔时代的重要颠覆性技术之一,特别是后道制造在产业链中的地位愈发重要,有望成为集成电路产业的新的制高点。芯片成品制造将深刻改变集成电路产业链形态,并驱动包括芯片设计、晶圆制造、装备、材料等产业链上下游共同发生革命性变化,全产业链更紧密的协同发展趋势愈发明显。”郑力告诉集微网。

基于时代对算力需求的提升,Chiplet成为集成电路微系统集成进程中的一条必然的路径。从产业协作方面来看,这需要产业链各环节的企业形成更紧密的联系。目前,Chiplet在设计与测试、产业链协作、标准化等方面均面临不小的挑战。

就目前来看,Chiplet最大的局限性在于整个生态系统还没有建立完整,底层技术尚未打通。陈启指出,不少公司有很多好想法,但由于生态圈不成熟,尚无法落地。目前看来,能落地的都是高端数字芯片与内存的结合,如xPU+DRAM,解决原有系统的瓶颈。但是,从根本理念出发,Chiplet的未来目标是让各种芯片,如模拟、高压、MEMS、氮化镓光电器件都整合到一起,不同的芯片像搭积木一样结合起来。

对于国内发展Chiplet的前景,黄乐天的态度更为审慎。他表示:“国内应该在先进封装、异构集成等基础技术上下功夫,然后以此结合国内产业态势找到另一条技术路径,而不是盲目地挪用国外的概念,朝Chiplet方向发展并不能解决国内的问题。Chiplet虽然能提升拆分后晶圆的整体良率,但也会带来其他复杂问题,比如散热、供电、应力、信号传输等,需要很多额外的付出,只有良率提升带来的收益大于额外代价时才有实质意义。”

从技术层面来看,国内在Chiplet上并不占优。不过,中国是全球最大的电子产品生产制造基地,拥有十分广阔的下游市场,能定义的场景极为丰富。从这一点上出发,国内芯片公司可以与小客户之间更好地结合,有着不错的发展机会。

Chiplet是一次重要的学习机会

虽成立至今尚不足半年,“巨星云集”的UCIe联盟显然已成为推动Chiplet产业化的核心力量。该联盟旨在打造Chiplet通用互联标准,提供高带宽、低延迟、高性价比的芯片封装连接。UCIe联盟由英特尔、AMD、英伟达等主流通用处理器供应商与云厂商们积极组建。就在不久前,阿里巴巴成为首家加入UCIe董事会的中国大陆企业。

UCIe联盟董事会成员表  图源 UCIe联盟官网

从云服务厂商、芯片代工厂、原始设备制造商、芯片IP供应商和芯片设计公司纷纷加入UCIe联盟,不难看出计算产业对Chiplet标准建设和生态构建的期许。

在UCIe联盟最新的董事会成员列表中,可以看到微软、谷歌云、阿里云这些云厂商的身影,这是因为Chiplet能有效降低云厂商的芯片设计门槛。云厂商的加入,也让Chiplet产业更紧密地结合用户企业,有利于产业生态的成熟。Chiplet不依赖先进工艺提升产品性能,且能够兼容多种IP、芯片的特性,使得云厂商的硬件开发更加灵活高效。

从不同企业的立场出发,Chiplet的意义差异甚大。

SemiWiki创始人Daniel Nenni在接受集微网采访时表示,Chiplet对英特尔、AMD这些大型单片芯片企业更具价值,市场前景也非常可观。但苹果的SoC很可能不会选择Chiplet,因为它在能耗方面非常敏感,而这正是Chiplet的短板,再加上Chiplet做出来的芯片体积更大,也不大适合移动设备使用。对台积电而言,Chiplet的实现难度不算太大,并且它能提供多种多样的封装方式,芯片良率会因此提高许多。

UCIe联盟成立至今,国内已有芯原、芯耀辉、芯和半导体、芯动科技、芯云凌、长鑫存储、长电科技、通富微电、超摩科技、奇异摩尔、牛芯半导体、OPPO等多家企业加入。

国内厂商对Chiplet重视与投入,有望在相关标准建设和生态发展上发挥中国力量。比如,EDA代表厂商芯和参与制定了中国计算机互连技术联盟(CCITA)Chiplet标准《小芯片接口总线技术要求》,亦是首家加入UCIe联盟的国产EDA厂商,为Chiplet互连提供电磁场仿真验证方案。不久前,长电科技的“长电微电子晶圆级微系统集成高端制造项目”正式开工,该项目旨在进一步整合全球高端技术资源,瞄准芯片成品制造尖端领域。其中,长电科技的自主性XDFOI™多维先进封装技术也将成为项目的产能重点之一。

“对中国来说,发展Chiplet的好处有很多。从底层逻辑上讲,是在性能、制造成本、时间成本之间找平衡。从更长远的发展来看,Chiplet能教会中国公司如何从系统高度看问题,学习如何定义一款芯片,其中会牵涉到很多新技术、新理念,是国内半导体产业链的一次自我学习、自我升级的机会。”陈启说。(校对/李晓延)

责编: 李晓延

王小方

作者

微信:xiaofang_465609191

邮箱:wangxf@ijiwei.com

作者简介

关注射频前端、CIS、AI、无线物联网等领域(微信联系:13143457929)

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