“摩爾定律”曾主宰著半導體芯片一次次創造技術發展的奇跡，但近年來關于“摩爾定律”放緩甚至終結的聲音愈演愈烈，“后摩爾時代”成為行業一大熱詞。
新工藝(yi)制程發展讓芯(xin)片體積性(xing)能不(bu)斷(duan)迭代，同時帶來了高(gao)昂的科研成(cheng)(cheng)本(ben)：據IBS統計(ji)，一個28nm芯(xin)片的設(she)(she)(she)計(ji)成(cheng)(cheng)本(ben)在(zai)4000萬美(mei)(mei)元，16nm芯(xin)片設(she)(she)(she)計(ji)成(cheng)(cheng)本(ben)約(yue)1億美(mei)(mei)元，而5nm芯(xin)片的設(she)(she)(she)計(ji)成(cheng)(cheng)本(ben)更高(gao)達5.4億美(mei)(mei)元。工藝(yi)微縮的前景幾(ji)乎打破(po)摩爾定律 “投資發展制程——芯(xin)片生(sheng)產成(cheng)(cheng)本(ben)降(jiang)低(di)——制程再投資”的邏輯。
來源(yuan)：International Business Strategies (IBS)
在延(yan)伸(shen)“摩爾定律”的道路(lu)上，Chiplet（芯粒）生逢其(qi)時(shi)。
3月2日，英特爾聯(lian)(lian)合10家芯(xin)片巨頭成立(li)Chiplet標(biao)準(zhun)聯(lian)(lian)盟，正式推(tui)出Chiplet（芯(xin)粒）的通(tong)用(yong)標(biao)準(zhun)“UCle”（Universal Chiplet Interconnect Express通(tong)用(yong)芯(xin)粒互(hu)連），用(yong)來打通(tong)各家芯(xin)片鏈(lian)接協議，構建一個(ge)開(kai)放可互(hu)操作的Chiplet生態系統。
正當業內詫異Chiplet聯盟成員沒有蘋果、遺憾沒有中國大陸芯片廠商問津時，3月14日，來自芯東西的一篇報道，透露出國內Chiplet標準即將面世的消息，國標Chiplet草案已制訂完畢并有望在2022年第一季度公示，今年年底將進行《小芯片(pian)接口總線(xian)技(ji)術要求》初版標準發布，或將成為國產芯片打破制程封鎖，實現彎道超車的重要引擎。
小芯片“續寫”摩爾定律？
作(zuo)為先進封裝(zhuang)技術(shu)的代表，Chiplet走向了和(he)傳統SoC完全不(bu)同(tong)的道(dao)路。它將復雜芯(xin)(xin)片拆(chai)解(jie)成(cheng)一組具有(you)單獨功(gong)能(neng)的小芯(xin)(xin)片單元die（裸片），通過(guo)die-to-die將模(mo)塊(kuai)芯(xin)(xin)片和(he)底(di)層基礎(chu)芯(xin)(xin)片封裝(zhuang)組合在一起，類似(si)于搭建樂(le)高積木(mu)，形成(cheng)一個系統芯(xin)(xin)片。
Chiplet的概念(nian)(nian)早在10余年(nian)前就被提出，Marvell創(chuang)始人周秀(xiu)文博士在ISSCC2015大會上提出了(le)(le)提出Mochi架構(gou)的概念(nian)(nian)，他認為(wei)Mochi可成為(wei)諸多應(ying)用的基礎架構(gou)。幾(ji)年(nian)后(hou)，這個概念(nian)(nian)開花結(jie)果，在經濟優勢(shi)和市場驅動(dong)下，AMD、臺積電(dian)、英特爾、英偉達(da)等芯(xin)片巨頭(tou)廠(chang)商嗅到(dao)了(le)(le)這個領域的市場機(ji)遇，形成了(le)(le)現在的Chiplet。
使用Chiplet 的好處很多，以SoC為代表的集成芯片正面臨經濟邊界和物理邊界兩大難題：一(yi)是(shi)(shi)先進制程工藝成(cheng)本高昂，二是(shi)(shi)模(mo)擬(ni)電路、I/O 等愈來愈難以隨著制程技術縮小。
而Chiplet在理(li)論(lun)上完美補足了這(zhe)兩(liang)個“缺陷”，用(yong)成熟的工藝把大芯(xin)片分(fen)成小芯(xin)片，能(neng)通過量產有效(xiao)改善良率，同時降低(di)制造成本(ben)。根據研究人員分(fen)析，這(zhe)項(xiang)技(ji)術(shu)可(ke)以(yi)將大型7nm設計的成本(ben)降低(di)高達25%；在5nm及以(yi)下(xia)的情況下(xia)節(jie)省成本(ben)更(geng)大。
其(qi)次，Chiplet可以(yi)降低微縮(suo)設計的(de)(de)復雜(za)程(cheng)度(du)與設計成本(ben)，以(yi)電(dian)路分(fen)割的(de)(de)小芯(xin)片各自強化相應功能、制程(cheng)技術、尺寸，最后(hou)整合在一起，以(yi)克服(fu)制程(cheng)微縮(suo)的(de)(de)挑戰。
3月初Apple春季發布會上曝光的“宇宙級處理器”M1 Ultra 就是用兩個M1芯片采用UltraFusion的架構封裝技術完成的，搭載了1140億個晶體管。根據蘋果和臺積電公布的專利論文來看，業內人士猜測，UltraFusion應是基于臺積電第五代CoWoS Chiplet技術的互連架構。M1 ultra芯片充分顯示了Chiplet在封裝互連技術、半導體制造和電路設計上的巨大想象空間。
圖源：蘋果
蘋果(guo)M1的(de)工藝思路(lu)，與我國即(ji)將(jiang)推(tui)出的(de)Chiplet標準(zhun)技術不謀而(er)合。
彎道超車：中國特色的Chiplet標準
對(dui)(dui)我(wo)國半(ban)導體(ti)(ti)產業而(er)言，Chiplet被(bei)認為(wei)是(shi)與國外差距較(jiao)小的(de)先進封裝(zhuang)技(ji)術，被(bei)看作是(shi)后摩(mo)爾時代(dai)中國集成電路企業突破的(de)希望，越來越多的(de)企業與工廠加(jia)大(da)對(dui)(dui)Chiplet的(de)研發：華為(wei)是(shi)國內最早(zao)嘗試Chiplet的(de)一(yi)批公司，海(hai)思半(ban)導體(ti)(ti)在早(zao)期就與臺積電合作過Chiplet技(ji)術，國產芯(xin)(xin)片(pian)廠商(shang)芯(xin)(xin)動科技(ji)在一(yi)款高(gao)性能服務(wu)器級顯卡(ka)GPU上使用了INNOLINK Chiplet技(ji)術……
小芯片有著卓越的經濟優勢，但作為新生技術也面臨不少挑戰。困于不同架構、不同制造商生產的die之間的互連接口和協議的不同，Chiplet的研發者在設計之初就得考慮工藝制程、封裝技術、系統集成、擴展傳輸等諸多復雜因素，這使得Chiplet的設計過程異常艱難。AMD的高級研究員Bryan Black概述了Chiplet芯片設計的九個考慮和挑戰：
如(ru)何在一個系統(tong)中劃分die
設計重用
管理(li)參數變化
功率(lv)輸出
連接速度
劃分(fen)開銷
全(quan)局(ju)時鐘
die的安全
熱管理(li)
樂高玩具之所以全球風行，基礎在于其積木模件的標準化，而Chiplet除了工藝設計之外的另一座難題，是die-to-die互聯的(de)標準化(hua)。
在UCle出現之前，眾多芯片廠商(shang)都在“自(zi)說自(zi)話式”推廣自(zi)家互(hu)聯標(biao)準(zhun)：如英偉達推出用于GPU的高速互聯NV Link方案；Intel免費向外界授權的AIB接口總線協議；臺積電也有TSMC和ARM合作搞了LIPINCON協議；AMD主張的Infinity Fabrie總線互聯技術，以及用于存儲芯片堆疊互聯的HBM接口等等。
UCle的推行，讓本在市場上互相傾軋的幾(ji)大巨頭(tou)開(kai)始(shi)攜(xie)手抱團，可(ke)見Chiplet的商業價值與無(wu)限(xian)潛力。開(kai)始(shi)推廣Chiplet標準化的時代就(jiu)這樣(yang)悄(qiao)然(ran)來臨(lin)。
面對(dui)(dui)(dui)UCle的出(chu)現，芯謀研(yan)究分(fen)析師認為，“我們要(yao)繼(ji)續(xu)走好自(zi)己的路，在加速國(guo)(guo)產(chan)化替代的同時，做好應(ying)對(dui)(dui)(dui)一切沖擊的準備，UCIe提供了一種(zhong)可參考的產(chan)業(ye)平(ping)臺機制，我們亦(yi)可以通過組建內部(bu)產(chan)業(ye)聯盟的方式(shi)來優化產(chan)業(ye)分(fen)工，進一步加快國(guo)(guo)內產(chan)業(ye)發展，提高國(guo)(guo)內半導體產(chan)業(ye)對(dui)(dui)(dui)于沖擊的耐(nai)受力。”
在(zai)2021年(nian)1月(yue)，國(guo)內半導體(ti)巨頭華為海思牽頭，與(yu)中(zhong)芯(xin)國(guo)際、紫光展銳、長江(jiang)存(cun)儲(chu)、龍(long)芯(xin)等國(guo)產(chan)半導體(ti)相(xiang)關企業(ye)，組建了中(zhong)國(guo)國(guo)產(chan)芯(xin)片(pian)聯盟。2021年(nian)5月(yue)，中(zhong)國(guo)計算機互連技術聯盟（以(yi)下簡稱CCITA）在(zai)中(zhong)電(dian)標協立項了Chiplet標準——《小芯(xin)片(pian)接(jie)口總線技術要求》，由國(guo)家部委(wei)和(he)多個(ge)芯(xin)片(pian)廠商合作展開標準制(zhi)定工作。
據“芯(xin)東西”報(bao)道，《小芯(xin)片接(jie)口總(zong)線(xian)技術要求》草案現已制訂完(wan)(wan)畢(bi)，即(ji)將進入(ru)征求意見階段(duan)，預(yu)計第(di)一季(ji)度(du)掛網公示(shi)和意見征集，第(di)二季(ji)度(du)完(wan)(wan)成技術驗證(zheng)計劃制訂，2022年底前(qian)完(wan)(wan)成技術驗證(zheng)和確(que)定標準文本(ben)，并發布首個(ge)可用(yong)的Chiplet協議(yi)版本(ben)。
CCITA秘書長、中科院計算所研究員郝沁汾認為，“集成電路互連技術現階段對我們國家的價值，主要是解決我們完全無法使用先進制程的問題，如采用28nm的芯片，通過chiplet的方式，使其性能和功能接近16甚至7nm工藝的芯片性能。”
解決互聯標準(zhun)只是(shi)(shi)第一步(bu)，在(zai)技術層面(mian)(mian)，Chiplet 還(huan)面(mian)(mian)臨著(zhu)來自先進封裝、測(ce)試(shi)、軟(ruan)件配合(he)等多個(ge)方(fang)面(mian)(mian)的(de)挑戰(zhan)，郝沁汾坦言(yan)，“但(dan)是(shi)(shi)做到(dao)像PCIe、CXL這樣的(de)普及程度，還(huan)需(xu)要更(geng)長時間，也需(xu)要國(guo)內企業的(de)支(zhi)持。”
學界人(ren)(ren)士也指出(chu)，在目前芯(xin)片工藝(yi)被國際形(xing)勢“卡脖子(zi)”的(de)情況下，通過(guo)研究Chiplet先進封(feng)裝(zhuang)，在一定程(cheng)度上(shang)“繞開”被卡的(de)技術(shu)難點，甚至實現所謂的(de)“彎道(dao)(dao)超(chao)車”、“換(huan)道(dao)(dao)超(chao)車”是(shi)很(hen)多人(ren)(ren)自然而然的(de)想法，但集成電(dian)路產業的(de)積累不是(shi)短時間可(ke)以完成的(de)，Chiplet不是(shi)救市(shi)良方也不是(shi)靈丹妙藥(yao)，它(ta)不過(guo)是(shi)一種技術(shu)發展的(de)思路而已，國內廠商要(yao)走“自研”路線，仍需打磨很(hen)長時間。
而對整個IOT行業來說，面對最大的痛點——碎片(pian)化，Chiplet為我們提供了一種組裝化的思路，去面對技術碎片化、應用碎片化，當我們將這個思路擴展，用不同的物聯網技術去組合搭載解決碎片化的場景，就讓1+1＞2成為可能。
參考資料：
芯東(dong)西：繞(rao)開先進制(zhi)程封鎖！中國“小芯片”標準草(cao)案即將公示(shi)，獨家(jia)對話郝(hao)沁汾(fen)
半導體行(xing)業觀察(cha)：Chiplet，真(zhen)的萬事俱備了嗎？
半導體(ti)產業縱橫(heng)：Chiplet的真機遇和大挑(tiao)戰(zhan)
