自遵循IBM的要求，將X86架構和產(chǎn)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(xiàn)在的服務器和AI時代，這兩家半導體“老兵”有了廣大的發(fā)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(zhàn)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(chǎn)品 Meteor Lake。據(jù)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(xù)“摩爾定律”經(jīng)濟成本高企，小芯片技術應運而生

英特爾公司創(chuàng)始人之一戈登·摩爾曾發(fā)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(shù)目每經(jīng)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(nèi)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(fā)周期變長，這意味著芯片開發(fā)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(fā)費用，很長一段時間內(nèi)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(jīng)濟性上出現(xiàn)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(jié)點的多個單一功能的小芯片模塊化拼搭，從而實現(xiàn)更優(yōu)經(jīng)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(xiàn)更低的設計與生產(chǎn)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(jīng)濟性衡量標準。

在小芯片技術出現(xiàn)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(shù)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(fā)難度極大。

而小芯片系統(tǒng)顛覆了上述開發(fā)流程，將一塊原本復雜的SoC芯片進行解構，根據(jù)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(jié)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(tǒng)級芯片組，有效降低了芯片系統(tǒng)的復雜度和開發(fā)成本。

相比于SoC，小芯片具有以下優(yōu)點。一是可重用知識產(chǎn)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(jié)點制造，針對其特定功能進行優(yōu)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(fā)起成立的全球Chiplet生態(tài)聯(lián)盟UCIe，公布1.1規(guī)范版本更新，稱建立Chiplet生態(tài)合規(guī)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(fā)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(xiàn)性能提升，超越英偉達產(chǎn)品，計劃今年下半年量產(chǎn)。

與此同時，中國也在積極Chiplet技術生態(tài)布局。近日，無錫市創(chuàng)投、無錫錫東新城商務區(qū)管委會、清源投資、無錫芯光互連技術研究院四方共同發(fā)起成立“芯光互連產(chǎn)業(yè)基金”，這是國內(nèi)首個重點關注Chiplet芯片設計的垂直性產(chǎn)業(yè)基金項目，并啟動國內(nèi)Chiplet開發(fā)者大賽，推進國內(nèi)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?！敝袊こ淘涸菏吭S居衍8月10日表示，Chiplet技術將改變芯片設計、電子系統(tǒng)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(chuàng)新。

中國計算機互連技術聯(lián)盟秘書長郝沁汾 對鈦媒體App表示，Chiplet技術涉及到芯片全產(chǎn)業(yè)鏈，國內(nèi)包括設計、EDA/IP、封裝和制造環(huán)節(jié)的企業(yè)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(tǒng)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?！?/span>


規(guī)模將超4000億，中國同時面臨機遇與挑戰(zhàn)

Chiplet即“小芯片”或“芯?！保切酒圃祛I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(chǎn)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(fā)成本。

早至上世紀70年代，業(yè)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(xié)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(chuàng)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(jié)點開始，芯片設計和制造成本飆升，一個完全規(guī)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(fā)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(shù)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(yōu)勢的縮減速度都快于晶體管，尤其超過3nm之后，F(xiàn)inFET（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(jié)點處于主流應用時期的設計成本為例，工藝節(jié)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(jù)需要進行混合和匹配的成本更低，產(chǎn)量更高的Chiplet應運而生。

據(jù)研究機構Omdia的數(shù)據(jù)預計，到2024年，Chiplet的市場規(guī)模將達到58億美元，是2018年6.45億美元規(guī)模的9倍；到2035年，市場規(guī)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(guī)模的88倍。預計Chiplet技術將迎來廣闊的發(fā)展空間。

據(jù)鈦媒體App的統(tǒng)計，目前國內(nèi)從事Chiplet相關研發(fā)的企業(yè)和機構主要包括四類：

一是做計算芯片設計的企業(yè)，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(chǎn)權）企業(yè)；

三是一批新興的專為企業(yè)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(yè)，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(nèi)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(yè)和科研院所。

國外則主要是UCIe聯(lián)盟，發(fā)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(fā)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(fā)起的Chiplet組織中國計算機互連技術聯(lián)盟（CCITA）成員企業(yè)已達100家。

當前，海外企業(yè)在Chiplet方向上有多個落地產(chǎn)品、進步速度較為激進。例如臺積電，其正在開發(fā)一種名為“集成芯片上系統(tǒng)”(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(chǎn)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(xiàn)芯片封裝等。

國內(nèi)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(wěn)定量產(chǎn)階段，同步實現(xiàn)4nm節(jié)點多芯片系統(tǒng)集成封裝產(chǎn)品出貨；龍芯中科采用Chiplet技術，研發(fā)出一款面向服務器市場的32核CPU處理器龍芯3D5000，已經(jīng)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(chǎn)芯片也都采用了Chiplet技術。


產(chǎn)業(yè)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(chǎn)品。國內(nèi)供應鏈也有序發(fā)展，今年3月份，中國Chiplet產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟聯(lián)合國內(nèi)系統(tǒng)、IP、封裝廠商一起，共同發(fā)布了《芯?；ヂ?lián)接口標準》 ACC1.0，該標準為高速串口標準，著重基于國內(nèi)封裝及基板供應鏈進行優(yōu)化，以成本可控及商業(yè)合理性為核心導向。據(jù)了解，目前行業(yè)正逐步構建一個開放的Chiplet生態(tài)系統(tǒng)。

“Chiplet技術在數(shù)據(jù)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(jīng)越來越成熟，主要表現(xiàn)在Chiplet模塊間的互連技術和制程協(xié)調管理相關技術在不斷發(fā)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(fā)資源；業(yè)內(nèi)對Chiplet技術是半導體行業(yè)的一個重要趨勢已形成共識。”鈞山資管董事總經(jīng)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(yè)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(xié)調和管理不同的制程，也是一個挑戰(zhàn)；有一套標準的Chiplet接口和協(xié)議，是推動Chiplet技術落地的關鍵；形成有效的供應鏈和生態(tài)系統(tǒng)對于Chiplet技術的落地至關重要；Chiplet技術需持續(xù)降低成本、提高效率，如此廠商才會愿意大規(guī)模地研發(fā)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(fā)展將在打通行業(yè)堵點、堅實算力底座方面起到重要作用，目前Chiplet生態(tài)的發(fā)展還有很長的路，架構設計和先進封裝需要齊頭并進，產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)應形成分工，以生態(tài)協(xié)作方式共同加速Chiplet的落地。