打破中国半导体“依赖症”，从Chiplet做起

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2023-04-08 07:20:31 917

近期，中国成立了自己的Chiplet（小芯片，或芯粒）联盟，由多家芯片设计，IP，以及封装、测试和组装服务公司组成，同时推出了相应的互连接口标准ACC 1.0。

在美国打压，中国寻求半导体产业链关键环节自主可控的当下，这一联盟的成立，颇有与由AMD、Arm、英特尔、台积电和ASE（日月光）主导的UCIe联盟分庭抗礼的意味。

从技术层面来看，Chiplet的价值和发展前景已经在全球半导体界达成普遍共识。

Chiplet并不是创新概念，它很早就被提出来了，只是市场应用需求没有发展到这一步，因此长期处于“隐身”状态。之所以在近几年火热起来，主要原因是先进制程（5nm及以下）的成本高的惊人，绝大多数芯片企业难以负担。Chiplet则可以在很大程度上解决这一问题。

Chiplet可以把传统的单芯片设计方案改成多芯片（Die）进行设计，并利用先进封装工艺进行集成。它的优势主要有以下几点：

1、提升芯片制造良率，由于良率和芯片的面积有关，面积越大，良率大概率会越低，因此，把一个大芯片分拆成多个小芯片（Die）设计并分别投片，就可以提高良率，良率提升，还可以降低制造成本。

2、以不同的工艺实现一颗芯片，用先进制程制造CPU等计算核心，用相对成熟的制程制造I/O之类的功能块，可以很好地控制整体成本。

3、设计更加灵活，设计出的Die，通过不同的组合方式，可设计出不同功能的芯片。

虽然有这么多好处，但Chiplet技术并不成熟，各种Die、接口I/O、总线等，与常规的SoC有很大区别，需要制定统一的标准，从而使产业链上的设计、制造、封装等厂商能按照标准操作，才能实现高效、规模化生产。因此，UCIe和ACC 1.0等行业规范相继推出。

Chiplet面临的挑战

Chiplet优点很多，同时也面临着很多问题，会阻碍其发展，例如：一，应用场景，并不是所有应用类型的芯片都适合做Chiplet，目前来看，CPU、GPU等处理器最适合做Chiplet，而且是在高性能应用领域，像智能手机等消费类电子设备用的芯片，很少需要采用Chiplet设计；二，成本，只有传统SoC成本达到一定量级，改用Chiplet设计才划算；三、良率问题；四、测试问题。

首先看一下应用场景，其实应用场景的限制是和成本紧密相关的，目前，Chiplet商业化最成功的（技术和规模）就是AMD的数据中心处理器。从*代ZEN架构开始，AMD就采用了Chiplet设计，ZEN-1架构的服务器产品naples是4个同样结构的Die（都含有计算核、DDR内存和I/O功能，I/O主要包括PCIe、以太网、CPU片间互连等）通过 IFOP（Infinity Fabric on Package，一种片内互连物理层技术）相连，ZEN-2 架构的roma是8个计算核心的Die通过升级版的IFOP互连技术和一个I/O Die（将DDR和I/O功能独立出来）互连，ZEN-3架构的Chiplet设计与ZEN-2的基本相同。

除了AMD，Marvell自2016年以来一直使用Chiplet设计其网络处理和通信芯片。AMD的Chiplet设计取得商业化成功之后，英特尔等厂商开始跟进，目前，在以数据中心和云计算为代表的高性能计算（HPC）应用领域，Chiplet设计越来越普及。然而，除了HPC，Chiplet几乎没有其它应用场景了，因为用到Chiplet设计的芯片（主要是处理器），肯定要涉及先进制程（10nm以下），而绝大多数应用（消费类、汽车、工控、军工、航空航天、物联网等）所需芯片，都是基于成熟制程的，即使是智能手机处理器这种要用到先进制程的芯片，由于其芯片晶体管规模、性能受控，使得成本相对可控，很少用到Chiplet设计。

其次，看一下成本。成本是近些年Chiplet越来越火爆的关键，原因在于以7nm、5nm、3nm，以及未来的2nm、1nm为代表的先进制程，生产成本对于绝大多数芯片企业而言是天文数字，只有少数企业能够承担。因此，将采用多种制程的Die“混装”起来的Chiplet设计，就成为了多数企业可以采用先进制程的解决方案，这样不仅可以享受到先进制程的好处，还可以有效控制总体成本。

关于采用Chiplet设计方案的成本临界点，马恺声老师在“算一算Chiplet的成本”一文中有过分析，总结为以下两方面：

1、如果芯片面积在200平方毫米以下，没有必要做Chiplet，真正有收益的是在800平方毫米以上的大芯片。这也是为什么今天超大的芯片（HPC应用）用Chiplet方案，因为经济上更划算。另外，Chiplet设计必将采用先进封装技术，伴随先进封装会产生大量测试、封装成本，先进的封装都非常昂贵，甚至数倍于芯片制造的成本，这也在很大程度上影响并制约着Chiplet的应用。

2、制程工艺越先进（如5nm），Chiplet成本优势越明显，因为在800平方毫米的单片系统中，硅片缺陷导致的额外成本占总制造成本的50%以上，对于较为成熟的制程工艺（如14nm）而言，尽管产量的提高也节省了高达35%的成本，但由于D2D接口和封装开销（MCM>25%，2.5D>50%)，多Die设计的成本优势减弱了很多，也就是说，此时用Chiplet设计意义不大。用一句话概括就是：当硅片缺陷的成本超过封装成本时，Chiplet架构会产生明显的成本效益。

下面看一下良率问题。当一个采用Chiplet架构的芯片完成封装，由于内部有多个Die，有的芯片内部功能块繁多且复杂，处理器、内存和I/O控制等组合在一起，可能有100多个Die，假设一种Die的良率超过90%，那么它们组合在一起，整个芯片的良率肯定不到90%，且组成的Die越多，整体良率越低。低良率会给封装厂和芯片拥有者带来很多麻烦，其实，归根结底，还是成本问题。

最后看一下测试问题。在多数情况下，很难判断Die是否可以在封装完成之前正常工作，当不同的Die并排放置时，芯片顶部的I/O焊盘很小，而且极难直接测试。为了与探头*接触，需要施加相当大的压力，这可能会损坏触点和芯片内部结构。尽管晶圆代工厂会测试晶圆，但这种测试难以做到详尽无遗，实际上只是为了筛选出明显的缺陷。目前，面对这一测试问题，业界知名封测大厂，以及*科研机构都提出过解决方案，但都属于摸索阶段，并未成熟。

综上，Chiplet有很多优势，同时，要想拓展更广阔的市场，面临的问题也不少，还需要不断探索。

Chiplet是中国半导体的“救命稻草”吗？

不止在国际，近几年，Chiplet在中国大陆也非常火爆，特别是美国开始打压中国半导体业以来，可以减少先进制程用量，同时又能享受到先进制程好处的Chiplet备受期待。

首先要肯定的是，中国发展Chiplet是没错的，无论是技术本身，还是应用需求，它都代表着未来的发展方向。不过，对Chiplet寄予过高期待，指望它解决关键问题，就有些跑偏了。

首先，如前文所述，在目前和未来相当长一段时期内，Chiplet设计主要用于大型CPU和GPU等处理器，那么，中国的相关芯片发展情况如何呢？

CPU方面，目前，国产CPU，特别是大芯片，与国际大厂存在明显差距：首先，CPU各项参数（核心数、主频、内存信道等）、性能有较大提升空间，与英特尔和AMD相比，国产CPU在先进制程的晶圆加工工艺方面存在较大差距，这也会影响整体性能表现。

国产CPU代表企业主要包括龙芯中科、华为海思、飞腾、兆芯等，而这些企业的产品多以PC、嵌入式应用为主，涉猎大芯片的不多，只有华为海思、寒武纪科技等少数企业重点研发采用7nm及更先进制程的服务器芯片和AI芯片。

GPU方面，英伟达等国际GPU龙头企业已经牢牢构建了专利墙，中国厂商在开发过程中，绕开现有专利具备一定难度。无论是老牌企业，如景嘉微和海光，还是新兴创业公司，如芯动科技、壁仞科技、摩尔线程、沐曦集成电路、天数智芯等，大多还处于发展初期，且所设计的芯片规模有限，采用Chiplet设计的还不多。不过，这些GPU企业，特别是创业公司，还是有很大发展潜力的，虽然短期内难以在大芯片领域形成规模，但长期发展前景还是值得期待的。例如，在云端GPGPU方面，天数智芯是最近几年异军突起的本土企业，该公司推出的7nm制程云端训练和推理GPGPU，能够为云端AI训练和HPC通用计算提供高算力和高能效比。类似这样的芯片是中国本土Chiplet技术发展的希望。

还有一点很重要，那就是IP。与SoC相比，Chiplet设计需要更多IP，中国大陆在IP设计和供给方面还有很长的路要走。

对于中国发展Chiplet，清华大学教授、中国半导体行业协会副理事长魏少军持谨慎乐观的态度，2022年，在一次接受媒体采访时，他表示，不管Chiplet怎么发展，它还是要先有Chip（芯片），所以其目标还是在成本可控情况下的异质集成，只能是先进工艺的补充。

魏少军认为，中国集成电路产业总体上还处在追赶过程中，Chiplet的出现并不能使这一态势发生根本性改变。如果说我们今天的芯片设计主要依赖国外的IP和EDA工具，那么在Chiplet时代，我们用到的芯粒和EDA工具大概率还是依赖国外厂商。不过，魏少军也指出，中国企业亦可在Chiplet上有所作为，比如中国企业可以借助Chiplet更快地发展应用。

Chiplet的出现给芯片行业开辟了一片新天地，后续很可能会出现一种新的商业模式，即通过集成标准芯粒来构建专用芯片的企业，这也是一些国际大厂打造Chiplet标准的原因。通过标准的设立，可以把自己生产的芯片变成Chiplet企业使用的“标准产品”，被不断地集成到各种最终应用中，从而扩大自己的市场。就这方面而言，中国成立自己的Chiplet联盟，并推出相应的互连接口标准ACC 1.0，还是很有前瞻性的，这从一个侧面体现出中国相关企事业单位要从底层做起，发展本土Chiplet的愿望。

总体而言，Chiplet有很好的应用和发展前景，但它不是中国半导体业冲刺国际先进水平的灵丹妙药。要想提升全行业竞争力，还是要有决心和毅力，秉持十年磨一剑的精神，*发展本土半导体材料、设备、IP、设计和制造水平。

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