英偉達將引入Chiplet實現(xiàn)高性能AI芯片，這種材料需求量爆發(fā)
Chiplet對 Nvidia 來說并不陌生。該公告還為Chiplet作為一個概念增加了更多驗證——許多半導(dǎo)體制造商都指望這一概念在未來幾年幫助保持摩爾定律的活力。
小芯片背后的想法幾乎不是一個新概念。幾十年來，該行業(yè)一直在制造多芯片模塊：例如，Mostek 在 1979 年將兩個 MK4116 16-Kbit DRAM 芯片放入雙腔陶瓷封裝中，創(chuàng)建了 MK4332D 32Kbit DRAM。英特爾還將 CPU 芯片和一個1995 年底推出的 Pentium Pro 中的 SRAM 芯片。這些多芯片模塊 (MCM) 使 Mostek 和 Intel 能夠超越其半導(dǎo)體工藝的局限，創(chuàng)造出“超越摩爾”的封裝設(shè)備。
Chiplets 的兩大優(yōu)勢
Xilinx Virtex-7 2000T 和 580HT 展示了小芯片提供的兩個最大優(yōu)勢。
對于 Virtex-7 2000T，使用硅中介層將四個 28 納米 FPGA 小芯片組裝到一個封裝中，使 Xilinx 能夠構(gòu)建更大的 FPGA，這可以通過單片 28 納米芯片實現(xiàn)。中介層允許半導(dǎo)體制造商通過將大型芯片組裝成比單個芯片可能更大的馬賽克來超越晶圓步進機的光罩限制。
Virtex-7 580HT 刪除了 Virtex-7 2000T 的四個 FPGA 小芯片之一，并用 28Gbps 收發(fā)器小芯片取而代之，當(dāng)時無法使用主流 28nm 數(shù)字 CMOS 工藝制造 28Gbps 收發(fā)器FPGA小芯片。
因此，小芯片提供的第二個優(yōu)勢是能夠混合和匹配使用不同工藝節(jié)點制造的芯片，很可能來自不同的代工廠。與主流和前沿數(shù)字工藝節(jié)點明顯不同的重要工藝節(jié)點包括模擬工藝、內(nèi)存工藝（例如 DRAM 工藝，特別是高帶寬內(nèi)存（HBM）內(nèi)存堆棧的形式）和高電流或高電壓工藝——尤其是特殊工藝，例如用于光子學(xué)的砷化鎵 (GaAs) 和用于功率半導(dǎo)體的碳化硅 (SiC)。
Chiplet：AI 芯片算力破局之路
伴隨摩爾定律逼近物理極限，提升制程工藝和芯片面積將面臨大幅的良率下降、成本增加，性能提升收益邊際降低。此外，2022 年 10 月以來，美國持續(xù)對國內(nèi)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)施壓，限制中國獲取先進制程芯片產(chǎn)品和代工服務(wù)，對于國內(nèi) AI 芯片廠商而言，架構(gòu)創(chuàng)新或?qū)⒊蔀樘嵘懔α肀脔鑿降倪x擇。
chiplet 工藝讓我們看到通過架構(gòu)創(chuàng)新實現(xiàn)算力跨越的可能，國內(nèi)AI 芯片廠商亦已經(jīng)進行了成功嘗試。
2022 年 8 月，國產(chǎn) GPU 廠商壁仞科技發(fā)布 BR100 系列 GPU，其采用 7nm 制程，實現(xiàn)了高達 2048TOPS INT8 算力，創(chuàng)下全球 GPU 算力新紀錄。BR100 之所以能實現(xiàn)強大的性能，得益于 Chiplet 工藝的運用。BR100 包含 2 顆計算芯粒，通過臺積電 CoWoS-S 工藝 die to die 互連，實現(xiàn)算力的跨越式提升。
但是，AI 芯片、GPGPU 芯片在設(shè)計難度、生態(tài)壁壘上較 CPU、GPU 更低，同時軟件棧的支持也是 AI 芯片能否大規(guī)模導(dǎo)入云服務(wù)商的主要矛盾，這導(dǎo)致了國內(nèi)云計算企業(yè)如阿里、百度等均嘗試自研 AI 芯片；這意味著國產(chǎn)芯片供應(yīng)鏈的機會（如接口芯片、IP 核等）比 AI 芯片的機會更具備確定性。
算力需求提升，導(dǎo)熱材料需求有望放量
最先進的 NLP 模型中參數(shù)的數(shù)量呈指數(shù)級增長。近年來，自然語言處理（NLP）中 的基于 Transformer 的語言模型借助于大規(guī)模計算、海量數(shù)據(jù)以及先進的算法和軟件取得 快速進展。擁有大量參數(shù)、更多數(shù)據(jù)和更長訓(xùn)練時間的語言模型可以獲得更加豐富、更加 細致的語言理解能力。因此，從 2018 年開始，NLP 模型參數(shù)以每年近乎一個數(shù)量級的速 度在增長。
AI 大模型的持續(xù)推出帶動算力需求放量。ChatGPT-3 模型版本擁有 1750 億個參數(shù)， 而此前的 GPT-2 只有 1.5 億個參數(shù)。由于參數(shù)數(shù)量的增加，ChatGPT-3 的訓(xùn)練時間和算 力需求也大幅增加。為了訓(xùn)練 GPT-3 模型，OpenAI 需要使用超過 285,000 個 CPU 核心 和 10,000 多個 GPU。訓(xùn)練 ChatGPT-3 模型的總計算量大約相當(dāng)于在普通筆記本電腦上 運行 175 億年的計算量，大約是 GPT-2 的數(shù)百倍（數(shù)據(jù)源自 OpenAI 官網(wǎng)）。而且，在推 理過程中，ChatGPT 也需要大量的算力來生成連貫、準(zhǔn)確的文本。以中國近年算力規(guī)模看， 2016-2021 年算力規(guī)模 CAGR 為 47%（數(shù)據(jù)源自中國信通院）。隨著 AI 大模型等對參數(shù) 需求大幅提升，全球?qū)τ谒懔Φ男枨箢A(yù)計將呈現(xiàn)爆發(fā)式的增加。
面對算力缺口，Chiplet 或成 AI 芯片“破局”之路。ChatGPT 等 AI 應(yīng)用蓬勃發(fā)展， 對上游 AI 芯片算力提出了更高的要求，頭部廠商通過不斷提升制程工藝和擴大芯片面積推 出更高算力的芯片產(chǎn)品。然而在后摩爾時代，制程升級和芯片面積擴大帶來的經(jīng)濟效益銳 減，架構(gòu)創(chuàng)新如 Chiplet 或?qū)⒊蔀樘嵘酒懔Φ闹匾緩健hiplet 技術(shù)除了成本和良率 端的優(yōu)勢，還能夠在最大程度上提升芯片的算力以滿足不同應(yīng)用的需求。
Chiplet 技術(shù)是提升芯片集成度的全新方法。Chiplet 指的是將芯片的不同芯粒分開制 備后再通過互聯(lián)封裝形成一個完整芯片。Chiplet 較小的硅片面積不太容易產(chǎn)生制造缺陷， 因此可以避免大算力芯片良率太低的問題。芯粒可以采用不同工藝進行分離制造，可以顯著降低成本。此外，Chiplet 技術(shù)帶來高速的 Die to Die 互連，使得芯片設(shè)計廠商得以將多 顆計算芯粒集成在一顆芯片中，以實現(xiàn)算力的大幅提升。
芯片算力提升對導(dǎo)熱材料的要求不斷提升。Chiplet 技術(shù)的核心思路在于盡可能多在物 理距離短的范圍內(nèi)堆疊大量芯片，以使得芯片間的信息傳輸速度足夠快。隨著更多芯片的 堆疊，不斷提高封裝密度已經(jīng)成為一種趨勢。隨著封裝密度的提高，單位電路的功率也不 斷増大以減小電路延遲，提高運行速度；同時，芯片和封裝模組的熱通量也不斷増大，顯 著提高導(dǎo)熱材料需求。
全球 Chiplet 市場增長強勢。隨著下游人工智能（AI）、虛擬現(xiàn)實（MR）、物聯(lián)網(wǎng)（IoT） 的不斷發(fā)展，高算力的要求成為的未來趨勢，Chiplet 技術(shù)或成為未來的主流芯片制造方案。 據(jù) Omida 測算，全球 Chiplet 市場規(guī)模將從 2018 年的 6.45 億美元逐步攀升至 2024 年的 24 億美元，CAGR 為 44.2%。近年，全球頭部導(dǎo)體公司都已經(jīng)開始布局 Chiplet，已經(jīng)有 商業(yè)化設(shè)備公布。
數(shù)據(jù)中心的算力需求與日俱增，導(dǎo)熱材料需求會提升。根據(jù)中國信通院發(fā)布的《中國 數(shù)據(jù)中心能耗現(xiàn)狀白皮書》，2021 年，散熱的能耗占數(shù)據(jù)中心總能耗的 43%，提高散熱能 力最為緊迫。隨著 AI 帶動數(shù)據(jù)中心產(chǎn)業(yè)進一步發(fā)展，數(shù)據(jù)中心單機柜功率將越來越大，疊 加數(shù)據(jù)中心機架數(shù)的增多，驅(qū)動導(dǎo)熱材料需求有望快速增長。
5G 通信基站相比于 4G 基站功耗更大，對于熱管理的要求更高。根據(jù)廣州 4G/5G 基 站功耗的實際測試結(jié)果，5G 基站的有源天線單元（Active Antenna Unit，AAU）或遠端射 頻單元（Radio Remote Unit，RRU）的能耗相比于 4G 基站高出 3-5 倍，基帶處理單元（Base Band Unit，BUU）的功耗也比 4G 基站高出 30%-50%。綜合來看，5G 基站能耗大約為4G 基站的 3-4 倍。能耗的提升對導(dǎo)熱材料提出更高要求，因此 5G 基站中多采用高效導(dǎo)熱 的 TIM 材料以應(yīng)對高能耗帶來的高熱負載。
未來 5G 全球建設(shè)會為導(dǎo)熱材料帶來新增量。截止 2022 年 12 月，我國完成的 5G 基 站數(shù)超過 230 萬個，占全球基站的超過 60%。當(dāng)前我國的萬人人均 5G 基站數(shù)已經(jīng)達到了 16.3 個，遠遠大于全球平均水平。伴隨著未來全球的 5G 基站逐步建設(shè)，對導(dǎo)熱材料的需 求預(yù)計將持續(xù)存在。
消費電子在實現(xiàn)智能化的同時逐步向輕薄化、高性能和多功能方向發(fā)展。隨著集成電 路芯片和電子元器件體積不斷縮小，手機機身厚度越來越薄，但由于功能件數(shù)量增多，手 機功率密度和發(fā)熱量快速增加。此外，無線充電和快充技術(shù)的普及也加大了散熱的需求和 難度。簡而言之，電子產(chǎn)品的性能越來越強大，而集成度和組裝密度不斷提高，導(dǎo)致其工 作功耗和發(fā)熱量的急劇增大，提高散熱需求。
新能源車產(chǎn)銷量不斷提升，帶動導(dǎo)熱材料需求。2017-2022 年我國新能源汽車產(chǎn)銷量 迅速攀升。據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會披露，2022 年國內(nèi)新能源汽車銷量為 688.7 萬輛，同比 增加 96%，產(chǎn)量為 705.8 萬輛，同比增加 99%。由于新能源車單車導(dǎo)熱材料的價值高于 傳統(tǒng)燃油車，新能源車滲透率的上升將帶動導(dǎo)熱材料的需求上漲。
