后摩爾時(shí)代，Chiplet會(huì)給半導(dǎo)體和芯片行業(yè)帶來(lái)什么？

在2022世界半導(dǎo)體大會(huì)暨南京國(guó)際半導(dǎo)體博覽會(huì)上，CIC灼識(shí)咨詢合伙人趙曉馬提出，隨著半導(dǎo)體行業(yè)進(jìn)入后摩爾定律時(shí)代，新集成Chiplet和新材料SiC是未來(lái)的發(fā)展方向。

其中，Chiplet在GPU、FPGA等高算力領(lǐng)域潛力巨大，2021年全球Chiplet市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到18.5億美元，預(yù)計(jì)未來(lái)五年仍將以46%的年均復(fù)合增長(zhǎng)率高速增長(zhǎng);新材料SiC制成的第三代功率半導(dǎo)體器件未來(lái)將在制造工藝、結(jié)構(gòu)改善方面進(jìn)一步突破，商業(yè)化進(jìn)程有望加速，2021年全球SiC器件市場(chǎng)規(guī)模已達(dá)84億元人民幣，預(yù)計(jì)2026年將增長(zhǎng)到199.5億元人民幣。

Chiplet，本質(zhì)上是一個(gè)設(shè)計(jì)理念，它將不同工藝、不同功能的模塊化芯片，通過(guò)封裝和互聯(lián)等方式，像拼接樂(lè)高積木一樣用封裝技術(shù)整合在一起，形成一顆芯片。

隨著數(shù)據(jù)量急劇增加，算力需求擴(kuò)大。而硬件層面，采用先進(jìn)工藝芯片的設(shè)計(jì)成本逐漸提高，每代制程節(jié)點(diǎn)升級(jí)所能帶來(lái)的性能提高幅度和功耗降低幅度減小，摩爾定律發(fā)展放緩，單芯片面積和性能出現(xiàn)設(shè)計(jì)瓶頸。

與傳統(tǒng)SoC方案相比，Chiplet可以將采用不同制程的芯粒匯集在一起，且由于芯?？芍貜?fù)使用，設(shè)計(jì)靈活，能加快芯片設(shè)計(jì)公司的設(shè)計(jì)周期、降低設(shè)計(jì)成本，且大幅提高芯片性能。

但摩爾定律發(fā)展至今已經(jīng)有50多年，隨著半導(dǎo)體工藝的進(jìn)步，要在同等面積大小的區(qū)域里放進(jìn)更多的硅電路，比如漏電流增加、散熱問(wèn)題增加、時(shí)鐘頻率增長(zhǎng)減慢等問(wèn)題已經(jīng)不可避免的增加。

目前單純靠系統(tǒng)級(jí)芯片提高性能已經(jīng)變得更加困難，5nm往下的4nm，3nm等工藝技術(shù)，即便取得制程突破，也未必在性能和功耗之間保持平衡，所以這時(shí)候Chiplet的概念出現(xiàn)了。

The Linley Group的白皮書《Chiplets Gain Rapid Adoption:Why Big Chips Are Getting Small》中直接提出，Chiplet技術(shù)可以將大型7nm設(shè)計(jì)的成本降低高達(dá)25%;在5nm及以下的情況下，節(jié)省的成本更大。

目前Chiplet已經(jīng)有少量商業(yè)應(yīng)用，并吸引英特爾和AMD等國(guó)際芯片廠商投入相關(guān)研發(fā)，在當(dāng)前SoC遭遇工藝節(jié)點(diǎn)和成本瓶頸的情況下有望發(fā)展成為一種新的芯片生態(tài)。隨著 Chiplet 逐步發(fā)展，未來(lái)來(lái)自不同廠 商的芯粒之間的互聯(lián)需求持續(xù)提升。

2022 年 3 月，Chiplet 的高速互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)——UCIe(Universal Chiplet Interconnect Express，通用芯?；ヂ?lián)技術(shù))正式推出，旨在芯片封裝層面確立互聯(lián) 互通的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，打造一個(gè)開(kāi)放 性的 Chiplet 生態(tài)系統(tǒng)。在解決 Chiplet 標(biāo)準(zhǔn)化方面具有劃時(shí)代意義。

理想情況下，UCIE標(biāo)準(zhǔn)將允許芯片制造商混合和匹配使用不同制造工藝技術(shù)的芯片，并由不同公司制造成內(nèi)置在單個(gè)封裝內(nèi)的產(chǎn)品。這意味著將美光制造的存儲(chǔ)芯片、AMD制造的CPU芯片和高通制造的無(wú)線調(diào)制解調(diào)器將可以組裝在一起，這將可以大大提高性能，同時(shí)節(jié)省大量電力。而且Chiplet可以大幅提高大型芯片的良率，有利于降低設(shè)計(jì)的復(fù)雜度和設(shè)計(jì)成本，有望降低芯片制造的成本。

舉例來(lái)說(shuō)，在一顆7nm工藝制程的芯片中，一些次要的模塊可以用如22nm的較低的工藝制程做成Chiplet，再“拼裝”至7nm芯片上，原理如同搭積木一樣，這樣可以減少對(duì)7nm工藝制程的依賴。

到目前為止AMD、英特爾以及臺(tái)積電等多家國(guó)際頭部芯片設(shè)計(jì)企業(yè)和多家中國(guó)芯片設(shè)計(jì)企業(yè)都曾表明或已經(jīng)實(shí)現(xiàn)在產(chǎn)品中導(dǎo)入 Chiplet 設(shè)計(jì)。

據(jù)公開(kāi)資料顯示，華為于2019年推出了基于Chiplet技術(shù)的7nm鯤鵬920處理器。AMD今年3月推出了基于臺(tái)積電3D Chiplet封裝技術(shù)的第三代服務(wù)器處理芯片，蘋果則推出了采用臺(tái)積電CoWos-S橋接工藝的M1 Ultra芯片。

早在2015年，AMD在放棄芯片制造多年后，表示希望通過(guò)推出“小芯片”來(lái)奪回英特爾主導(dǎo)的服務(wù)器芯片市場(chǎng)。AMD高級(jí)副總裁塞繆爾·納夫齊格(Samuel Naffziger) 在談到公司當(dāng)時(shí)的計(jì)劃時(shí)稱：“我們?cè)?a href="/tags/芯片" target="_blank">芯片設(shè)計(jì)方面只有一顆子彈可以射中?！彼傅木褪荂hiplet。