國(guó)產(chǎn)小芯片開(kāi)始封裝量產(chǎn)，搜索量暴增的“小芯片”技術(shù)，能否讓中國(guó)芯片實(shí)現(xiàn)“彎道超車”？
1月5日，美國(guó)、中國(guó)兩家半導(dǎo)體企業(yè)不約而同公布基于Chiplet的先進(jìn)芯片量產(chǎn)：
CES 2023開(kāi)幕演講上，美國(guó)芯片巨頭AMD發(fā)布全球首個(gè)集成數(shù)據(jù)中心APU（加速處理器）芯片Instinct MI300，其采用5nm和6nm的先進(jìn)Chiplet 3D封裝技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高達(dá)1460億個(gè)晶體管，AI 性能比前代提升8倍以上，最快2023年下半年發(fā)貨；
國(guó)內(nèi)晶圓封裝龍頭長(zhǎng)電科技（600584.SH）宣布，公司XDFOI Chiplet高密度多維異構(gòu)集成系列工藝已按計(jì)劃進(jìn)入穩(wěn)定量產(chǎn)階段，同步實(shí)現(xiàn)4nm節(jié)點(diǎn)多芯片系統(tǒng)集成封裝產(chǎn)品出貨。
1、什么是小芯片？
小芯片就是chiplet,一種新興的芯片組合和制造技術(shù)。在行業(yè)內(nèi)，小芯片也被叫做芯粒。從名字上我們很容易發(fā)現(xiàn)它傳統(tǒng)的芯片相比，小芯片更加地精悍靈活。事實(shí)上，小芯片就是將傳統(tǒng)芯片的功能進(jìn)行模塊化，分別制造，然后重新組裝的技術(shù)。
傳統(tǒng)系統(tǒng)級(jí)芯片，功能復(fù)雜，從設(shè)計(jì)到制造一般是一體化完成。比如說(shuō)智能手機(jī)處理器芯片中，就包含著微處理器、儲(chǔ)存器、基帶、模擬電路模塊等眾多部分。
以前一顆 SOC芯片，從設(shè)計(jì)和制造都是一次性完成的，所以其適用的制程工藝也是統(tǒng)一的。但小芯片技術(shù)卻將其分開(kāi)，各個(gè)模塊進(jìn)行分別設(shè)計(jì)和制造，最后再進(jìn)行異構(gòu)組裝。這樣一來(lái)，各個(gè)模塊就可以使用不同的制程工藝，既節(jié)省的成本也增加了效率。
更關(guān)鍵的，小芯片技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)芯片進(jìn)行堆疊，使其突破摩爾定律的限制，達(dá)到更高的性能。
實(shí)際上，Chiplet是一種芯片“模塊化”設(shè)計(jì)方案，通過(guò)2.5D/3D集成封裝等技術(shù)，能夠?qū)⒉煌に嚬?jié)點(diǎn)、不同功能、不同材質(zhì)的芯片，如同搭積木一樣集成一個(gè)更大的系統(tǒng)級(jí)芯片（SoC)。與傳統(tǒng)的SoC方案相比，Chiplet模式具有設(shè)計(jì)靈活性、成本低、上市周期短等優(yōu)勢(shì)，非常適用于高性能計(jì)算等領(lǐng)域。
例如，搭配28nm、14nm等不同制程芯片，通過(guò)Chiplet等技術(shù)集成的芯片，可接近7nm芯片性能和作用，而且成本最高降低50%以上——設(shè)計(jì)一款5nm芯片的總成本接近5億美元。而且，國(guó)產(chǎn)Chiplet有助于減少美國(guó)對(duì)先進(jìn)技術(shù)封鎖的影響。
據(jù)統(tǒng)計(jì)，自2022年8月開(kāi)始，“Chiplet”的百度中文搜索量突然猛增，周搜索指數(shù)最高增長(zhǎng)6123倍。而在去年12月中的一周內(nèi)，搜索量暴增1005倍，熱度僅次于“布洛芬”、口罩和抗原等。
2、小芯片技術(shù)憑借其靈活性引起業(yè)界重視
當(dāng)前，半導(dǎo)體制造業(yè)后道流程的附加值在不斷上升，小芯片技術(shù)作為先進(jìn)封裝技術(shù)的典型代表，得到業(yè)界重視。
1）小芯片技術(shù)與產(chǎn)品正形成規(guī)模，推出實(shí)用產(chǎn)品
美國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)巨頭紛紛涉足小芯片技術(shù)，已取得實(shí)用化成果。2018年，AMD公司率先在霄龍型號(hào)處理器中采用小芯片設(shè)計(jì)，在單個(gè)芯片中實(shí)現(xiàn)較高整合度。2022年3月，蘋(píng)果公司推出采用小芯片設(shè)計(jì)的M1 Ultra處理器芯片，將兩枚M1 Max芯片互連，實(shí)現(xiàn)更高運(yùn)算性能。2022年8月，英特爾公司發(fā)布Meteor Lake和Arrow Lake型號(hào)芯片，旨在將不同核心數(shù)量、不同的緩存大小及不同性能的模塊混合，實(shí)現(xiàn)高效率、低功耗。
小芯片的火熱同樣引起了中國(guó)內(nèi)地廠商的興趣。地平線、壁仞科技等大算力芯片公司也表達(dá)了對(duì)小芯片技術(shù)的興趣或推出了相關(guān)產(chǎn)品；芯原和芯動(dòng)科技等IP供應(yīng)商已推出實(shí)質(zhì)的接口IP,展現(xiàn)出對(duì)小芯片技術(shù)的躍躍欲試。
2）小芯片技術(shù)正形成標(biāo)準(zhǔn)，面向行業(yè)共贏
為了將小芯片技術(shù)全面推向市場(chǎng)，英特爾、AMD、ARM、臺(tái)積電、三星、日月光、高通、微軟、谷歌云和Meta等科技巨頭聯(lián)合，發(fā)起小芯片互連標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)盟——UCIe產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，并于2022年3月發(fā)布UCIe 1.0標(biāo)準(zhǔn)，目的是通過(guò)開(kāi)源設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)芯片之間的芯片互連標(biāo)準(zhǔn)化，從而降低成本，促進(jìn)更廣泛的小芯片生態(tài)系統(tǒng)。該標(biāo)準(zhǔn)定義了片上互連技術(shù)的物理層、協(xié)議棧和軟件模型，以及合規(guī)性測(cè)試程序。
其中，英特爾公司為UCIe標(biāo)準(zhǔn)貢獻(xiàn)了高級(jí)接口總線（AIB）和嵌入式多核心互連橋接（EMIB）等技術(shù)；臺(tái)積電公司貢獻(xiàn)了芯片-晶圓-基板(CoWoS)等技術(shù)。未來(lái)新版本的UCIe標(biāo)準(zhǔn)可能包括附加協(xié)議、更寬的數(shù)據(jù)鏈路和更高密度的連接。最終，UCIe標(biāo)準(zhǔn)的目標(biāo)是像其他連接標(biāo)準(zhǔn)（如USB、PCIe和NVMe）一樣普遍和通用，同時(shí)為小芯片連接提供卓越的功率和性能指標(biāo)。
UCIe產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟成立后，中國(guó)企業(yè)芯原微電子、超摩科技、芯動(dòng)科技、芯和半導(dǎo)體以及牛芯半導(dǎo)體等企業(yè)相繼加入了UCIe產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟。這意味著全球小芯片互連標(biāo)準(zhǔn)中，也將有中國(guó)企業(yè)貢獻(xiàn)的一份力量。
與此同時(shí)，中國(guó)也正發(fā)展自主小芯片標(biāo)準(zhǔn)。2021年5月，中國(guó)計(jì)算機(jī)互連技術(shù)聯(lián)盟在工信部立項(xiàng)《小芯片接口總線技術(shù)要求》，由中國(guó)電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院、中科院計(jì)算所和國(guó)內(nèi)多個(gè)芯片廠商合作展開(kāi)標(biāo)準(zhǔn)制定工作。該標(biāo)準(zhǔn)文件已完成起草工作，于2022年3月起公開(kāi)征求意見(jiàn)，預(yù)計(jì)將于2022年年末正式發(fā)布，作為中國(guó)原生小芯片標(biāo)準(zhǔn)。
3、小芯片賽道機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存
小芯片技術(shù)和小芯片互連聯(lián)盟的出現(xiàn)，很可能將催生新的商業(yè)模式，帶動(dòng)半導(dǎo)體行業(yè)的新一輪創(chuàng)新。知名市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)Omdia預(yù)測(cè)，到2024年全球小芯片市場(chǎng)規(guī)模將擴(kuò)大到58億美元，較2018年的6.45億美元增長(zhǎng)9倍；到2035年，小芯片市場(chǎng)規(guī)模有望增至570億美元。小芯片互連標(biāo)準(zhǔn)的建立，將有助于更多企業(yè)提高良率、降低成本、縮短開(kāi)發(fā)周期以及增加產(chǎn)品的擴(kuò)展性。企業(yè)將有機(jī)會(huì)在制程并非最領(lǐng)先的情況下，通過(guò)合理的搭配與優(yōu)化，創(chuàng)造出先進(jìn)芯片與系統(tǒng)。隨著技術(shù)上的不斷演進(jìn)和工藝的日漸成熟，小芯片技術(shù)未來(lái)有可能得到更廣泛的應(yīng)用。
雖然小芯片技術(shù)降低了對(duì)先進(jìn)制程的依賴，但由于其涉及到不同的工藝、信號(hào)和開(kāi)發(fā)流程，更需要整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的協(xié)同。從芯片設(shè)計(jì)、晶圓制造到封裝測(cè)試等產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)，以及開(kāi)發(fā)工具和開(kāi)發(fā)流程，都需要統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和高度的兼容性，才能真正實(shí)現(xiàn)互連互通、可協(xié)作的愿景。這意味著芯片產(chǎn)業(yè)鏈更加受“木桶效應(yīng)”的支配，仍對(duì)本土制造能力和先進(jìn)工藝水平有著較高的要求。
在國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)方面，美國(guó)仍將保持強(qiáng)勁競(jìng)爭(zhēng)力。不僅是產(chǎn)業(yè)界，美國(guó)政界也表達(dá)了對(duì)小芯片技術(shù)的關(guān)注。2022年6月，美國(guó)智庫(kù)安全與新興技術(shù)中心（CSET）發(fā)表的《支持先進(jìn)半導(dǎo)體封裝》（Re-Shoring Advanced Semiconductor）報(bào)告中提及：“創(chuàng)新將出現(xiàn)在小芯片、晶圓級(jí)封裝和封裝設(shè)備自動(dòng)化等領(lǐng)域。美國(guó)應(yīng)該進(jìn)行投資并提供激勵(lì)措施，以確保半導(dǎo)體行業(yè)在這些領(lǐng)域的持續(xù)領(lǐng)先地位”。美國(guó)總統(tǒng)拜登8月簽署的《芯片與科學(xué)法案》中，也指出：“建議開(kāi)發(fā)小芯片平臺(tái)，使初創(chuàng)公司和研究人員能夠以更低的成本，更快地進(jìn)行創(chuàng)新”。這表明，未來(lái)在全球小芯片技術(shù)這一賽道中，美國(guó)將力爭(zhēng)領(lǐng)先地位。
