2023年火热程度不减 Chiplet成为全球巨头关注的重要赛道

过去的一年，chiplet（小芯片，又称“芯粒”）成为半导体行业的“最热词”，得到了业界的广泛关注。目前苹果、台积电、AMD、Intel等国际芯片巨头均已布局chiplet技术，且推出了多款小芯片设计的芯片，取得了很好的应用效果。同时，在摩尔定律放缓，以及科技脱钩等诸多因素下，Chiplet技术被认为是提升算力密度的重要路径，也成为中国半导体企业破解芯片技术封锁的重要技术方向之一。

在2023年初数天内，中外芯片企业均宣布Chiplet技术的新进展。近日，美国芯片巨头AMD在CES2023上发布全球首个集成数据中心APU（加速处理器）芯片InstinctMI300，最快2023年下半年发货。中国晶圆封装龙头长电科技近日也宣布，其XDFOIChiplet高密度多维异构集成系列工艺已按计划进入稳定量产阶段，同步实现4nm节点多芯片系统集成封装产品出货。目前，Chiplet技术已经成为全球半导体产业重点关注的赛道之一。

后摩尔时代的技术路径之一

Chiplet，小芯片，又称为模块芯片，具有成本低、周期短等优点，是一系列先进封装技术的汇总与升级。Chiplet设计分割不同功能模块进行独立制造，再通过先进封装组装成一个系统芯片，不需要全部都采用先进制程在一块晶圆上进行一体化制造，这样可以提升良率的同时降低不良率造成的额外制造成本。

实际上，Chiplet概念很早就已经被提出来。早在2015年ISSCC大会上，美国芯片巨头Marvell创始人周秀文提出了MoChi（模块化芯片）架构概念。同一年，美国芯片巨头AMD公司就以实现性能、功耗和成本的平衡为目标，率先将Chiplet应用于商业产品中，自此之后陆续使用HBM、Chiplet和3DChiplet等技术研发芯片产品。

2022年3月，英特尔、AMD、ARM、台积电、三星等芯片巨头发起一项瞄准Chiplet的新互连标准UCIe。同月，苹果也发布一个性能爆表的属于chiplet技术范畴的顶级电脑芯片M1Ultra。4月，饱受芯片之苦的华为也发布了3D堆叠技术专利……Chiplet被认为是后摩尔时代继续提升芯片规模和密度的重要技术之一。

Chiplet具有诸多技术优势，主要体现在：一是可以大幅提高大型芯片的良率；二是可以降低设计的复杂度和设计成本；三是降低芯片制造的成本；四是可以满足多样化市场需求，特别是满足应用端对定制芯片的需求。

目前，Chiplet已被认为是系统级芯片（SoC）集成发展到后摩尔时代后，持续提高集成度和芯片算力的重要途径。据Omdia报告，到2024年，Chiplet的市场规模将达到58亿美元，2035年超过570亿美元，Chiplet的全球市场规模将迎来快速增长。

当前，先进芯片工艺性能提升越来越难，但成本直线上升，使摩尔定律遭遇瓶颈，而作为先进封装技术的Chiplet被认为是缓解摩尔定律的一个有效方式，也被认为是未来满足人工智能、高性能计算等行业需求的重要技术方向之一。有行业机构甚至指出，随着Chiplet技术生态逐渐成熟，中国厂商通过自重用及自迭代利用技术的多项优势，推动各环节价值重塑。

Chiplet进入规模化应用阶段

在CES2023上，AMD推出了从CPU到GPU、从移动版到桌面版新品，包括Ryzen7000系列移动版处理器、Ryzen7000X3D系列台式机CPU、移动版RX7000独显以及AMD迄今为止最复杂芯片——InstinctMI300等。

据悉，InstinctMI300是AMD首款数据中心/HPC级的APU，而首席执行官苏姿丰称其是“AMD迄今最复杂的芯片”，相较InstinctMI250X，InstinctMI300可提升8倍的AI训练算力和5倍的AI能效。

AMD首席执行官苏姿丰介绍InstinctMI300

如果对比晶体管数量可以发现，英特尔的服务器GPUPonteVecchio集成了1000亿个晶体管；英伟达新核弹H100的晶体管数量则为800亿；而AMD的InstinctMI300的晶体管数量达到1460亿个！

值得一提的是，InstinctMI300采用了当前火热的先进封装技术——Chiplet，利用3D封装技术将CPU和加速计算单元集成在一起。InstinctMI300预计将在2023年下半年交付，首发将部署在美国新一代超算ElCapitan上，性能冲上200亿亿次，比当前TOP500最强超算Frontior性能提升一倍。

而长电科技则基于XDFOI™Chiplet高密度多维异构集成系列工艺，可生产4nm多芯片封装产品，最大封装体面积约为1500mm²的系统级封装。据悉，长电科技XDFOI™Chiplet技术工艺通过小芯片异构集成技术，在有机重布线堆叠中介层(RDLStackInterposer,RSI)上，放置一颗或多颗逻辑芯片(CPU/GPU等)，以及I/OChiplet和/或高带宽内存芯片(HBM)等，形成一颗高集成度的异构封装体。

该制造工艺一方面可将高密度fcBGA基板进行“瘦身”，将部分布线层转移至有机重布线堆叠中介层基板上，利用有机重布线堆叠中介层最小线宽线距2μm及多层再布线的优势，缩小芯片互连间距，实现更加高效、更为灵活的系统集成，另一方面，也可将部分SoC上互连转移到有机重布线堆叠中介层,从而得以实现以Chiplet为基础的架构创新，而最终达到性能和成本的双重优势。

目前，长电科技XDFOI™技术可将有机重布线堆叠中介层厚度控制在50μm以内，微凸点(µBump)中心距为40μm，实现在更薄和更小单位面积内进行高密度的各种工艺集成，达到更高的集成度、更强的模块功能和更小的封装尺寸。同时，还可以在封装体背面进行金属沉积，在有效提高散热效率的同时，根据设计需要增强封装的电磁屏蔽能力，提升芯片成品良率，有效解决后摩尔时代客户芯片成品制造的痛点。

Chiplet并非“十全十美”

作为中国芯片封装巨头，长电科技是国内较早布局Chiplet技术的半导体企业之一。2021年7月正式推出面向Chiplet（小芯片）的高密度多维异构集成技术平台XDFOI™，利用协同设计理念实现了芯片成品集成与测试一体化，涵盖2D、2.5D、3DChiplet集成技术。目前，长电科技基于XDFOI™Chiplet高密度多维异构集成系列工艺的技术优势，已在高性能计算、人工智能、5G、汽车电子等领域得到应用，可以提供外型更轻薄、数据传输速率更快、功率损耗更小的芯片成品制造解决方案。

不过，尽管Chiplet有诸多优势，但该技术并非十全十美的，要真正实现Chiplet带来的集成效应，还有很多问题待解决。具体而言，Chiplet技术挑战不仅包括物理电气工艺/构型、Interposer和导线材料、通信互连/I/O、Analog/Logicdesignrules、电源和信号控制等挑战，同时还面临着生态和制造端的挑战。

实际上，尽管苹果、AMD、Intel等大厂产品中已广泛采用Chiplet技术，但该技术目前更多为少数企业提供了竞争优势。清华大学教授、中国半导体行业协会副理事长魏少军曾接受媒体采访时表示，“当前Chiplet面临着芯片设计系统思维、设计工具、制造材料、成本等多方面挑战，不能简单地认为，Chiplet具备降低系统复杂度、提升芯片良率、在摩尔定律之外推动芯片性能提升等好处。”

也就是说，Chiplet技术在良率和成本上的优势也是有一些前提条件的。比如，将一颗大的SoC芯片拆分成多个芯粒，相比单个大的SoC可以更好的提升Chiplet的良率，但是这也会带来更多的测试工作。很大程度上来说，Chiplet封装的芯片复杂程度更高，需要晶圆测试段更精确分类测试，避免最终性能降低。同时，在SoC芯片设计时，企业需要将内部封装的各个模块看成一个整体的系统，需考虑到整个系统层级的设计和优化。这也要求EDA厂商、Chiplet厂商和芯片厂商高度协同配合。

另外，多芯粒的封装与组合，要实现芯片互联，需要解决一致性协议问题，自然也要涉及到互联相关标准。

目前，中国Chiplet产业链还不成熟，存在诸多技术挑战，比如芯片测试良率、互连技术、集成封装技术、供电散热等方面的技术挑战，同时还存在芯片IP（知识产权）偏少，产业上下游的支持力度差等问题。2022年12月，中国发布了首个原生Chiplet技术标准《小芯片接口总线技术要求》，将有助于行业的规范化、标准化发展。

总结起来，Chiplet技术是从先进封装的角度来延续摩尔定律，提升芯片性能和降低芯片成本，但通过Chiplet技术集成的SoC芯片的性能根本上也是由芯片工艺的先进性来决定的。比如，AMD发布的InstinctMI300是在4块6nm芯片之上，堆叠了9块5nm的计算芯片，才在性能上被冠以“AMD迄今最复杂的芯片”。