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作者：芯榜-岳权利
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行业发展，标准先行2023年，国家和地方行业主管部门关于集成电路技术标准的政策建议，再次将半导体产业标准放置在聚光灯下，行业发展，标准先行，成为中国芯片“突破封锁”“换道超车”的新方向。2023年1月，工业和信息化部发布《工业和信息化部专业标准化技术委员会管理办法》。鼓励相关行业专业领域内就专业标准化技术委员会（以下简称标委会）的组建、运行、换届、调整、注销和监督管理等进行规定，该办法自2023年2月1日起施行。与此同时，浙江省经济和信息化厅、浙江省市场监督管理局印发《浙江省集成电路产业链标准体系建设指南（2022年版）》（以下简称《建设指南》），提出建立和完善具有特色的集成电路产业链标准体系，增强集成电路产业链的国内外标准话语权。《建设指南》着重提到，集成电路是信息社会和数字经济的核心基石和关键要素，是电子信息产品的“心脏”和国家的“工业粮食”。目前，国内现行的集成电路领域标准以翻译和套用IEC或JEDEC等国际通行标准为主，存在关键标准被国外垄断，标准之间兼容性差等突出问题。《建设指南》指出，集成电路产业亟需尽快建立完善的标准体系，推动产业创新成果加快转化标准话语权，支撑产业健康有序发展。此外，针对集成电路封装测试标准，《建设指南》提出前瞻布局三维封装等芯粒（Chiplet）封装技术领域的标准，力争制定行业标准。2022年12月16日，酝酿已久的中国《小芯片接口总线技术要求》团体标准（T/CESA 1248-2023），正式通过了工信部中国电子工业标准化技术协会的审定，并在当天举办的“第二届中国互连技术与产业大会”上向世界发布，这是中国首个原生Chiplet技术标准。值得注意的是，美国国防部高级研究计划局（DARPA）2017年推出的CHIPS战略计划（通用异构集成和IP重用战略）则试图将Chiplet技术推上战略统一和生态构建的层面。DARPA瞄准Chiplet这一技术趋势，试图构建围绕和利用Chiplet技术的一系列生态及应用。2020年1月，英特尔加入美国CHIPS联盟，并免费提供了AIB互连总线接口许可，以支持Chiplet生态系统的建设。但由于需使用英特尔自家的先进封装技术EMIB，AIB标准未能普及。2022年3月，英特尔又牵头发起一项瞄准Chiplet的新互连标准UCIe（Universal Chiplet Interconnect Express）。2022年8月，在美国《2022年芯片与科学法案》中，小芯片也再次被提及，美国总统科学技术顾问委员会（PCAST）“倡议建立Chiplet平台”。Chiplet：我国半导体换道超车的机遇
过去几十年来，半导体行业一直按照摩尔定律的规律发展，凭借着芯片制造工艺的迭代，使得每18个月芯片性能提升一倍。但是当工艺演进到5nm，3nm节点，提升晶体管密度越来越难，同时由于集成度过高，功耗密度越来越大，供电和散热也面临着巨大的挑战。Chiplet（芯粒）技术是SoC集成发展到当今时代，摩尔定律逐渐放缓情况下，持续提高集成度和芯片算力的重要途径。并且基于目前中国Chiplet发展迅猛势头，我国半导体行业大有换道超车的势头。中国Chiplet标准的主要发起人和起草人，中科院计算所研究员、中国计算机互连技术联盟（CCITA）秘书长、无锡芯光互连技术研究院院长郝沁汾表示，尽管Chiplet目前还不能替代以光刻机的演进为主要方向的传统集成电路的技术路线，但在一些特定的场景下，Chiplet设计方式结合成熟制程工艺，已经可以“小于等于”先进制程工艺。
▲中科院计算所研究员，中国计算机互连技术联盟（CCITA）秘书长，无锡芯光互连技术研究院院长郝沁汾
在当下美国对中国的半导体产业出台了一系列技术和设备封锁措施，包括：1、禁止高阶芯片出售中国；2、禁止相关技术流入中国；3、禁止美国人（含持有美国护照的中国人）为中国半导体产业工作。英国金融时报甚至形容，美国就是要把中国的芯片产业“打回石器时代”。然而，在Chiplet技术标准领域，美国则是广开大门，鼓励欢迎中国企业加入有美国核心企业发起的小芯片联盟，希望继续维护美国在芯片领域的国际标准话语权生态。中国本土企业先进制程发展受阻的情况下，美国的小芯片联盟带火了Chiplet。值得一提的是以英特尔为核心2022年3月份成立的UCIe联盟。UCIe标准的全称为“Universal Chiplet Interconnect Express”(通用小芯片互连通道)，在小芯片层面确立互连互通的统一标准。UCIe1.0标准定义了小芯片间互连物理层、链路层等规格等，并通过支持PCIe、CXL两种成熟的芯片间互连上层高速互连标准，实现对芯片互连场景的改变，提升互连密度，并构筑英特尔芯片更牢固的生态。同时，芯片巨头们在推动先进工艺的同时，也在全力开发新的封装技术，将多颗不同工艺、不同功能的小芯片，通过2D、2.5D、3D等各种方式，整合在一起，更灵活地制造大型芯片。AMD目前的锐龙、霄龙处理器，Intel未来的酷睿、至强处理器，都是典型的小芯片架构。以往的小芯片设计都是各家厂商自行其是，而新的UCIe标准规范，让不同厂商的小芯片互通成为可能，允许不同厂商、不同工艺、不同架构、不同功能的芯片进行混搭。事实上，Intel明确提出要推动开放的小芯片平台，并横跨包括但不限于x86、ARM、RISC-V等多样化指令集，打造模块化产品。UCIe是美西方“芯片围堵”下的“开放生态联盟”天下熙熙，皆为利来；天下攘攘，皆为利往。UCIe联盟作为一个以英特尔为核心的利益集团目前已经有多家本土厂商加入，如芯动科技、芯原股份芯耀辉、芯和半导体、芯动科技、芯云凌、长鑫存储、长电科技等。由美国企业主导的“开放生态联盟”，是否能实现真正的“开放”？值得注意的是UCIe联盟及其支持者的深厚经验与成熟产品是该规范获得完整性和广泛采用的基础。Intel提出die 2die的物理互连标准，主要支持芯片内裸die的互连，提前布局后摩尔时代以chiplet为主要特征的集成电路技术路线，继续维持在芯片设计方面的技术领先程度，通过支持既有的芯片间互连协议（主要是Intel控制的协议）CXL和PCIe，使得Intel能够实现继续对数据中心技术的控制。根据UCIe联盟白皮书显示，UCIe联盟成员共分为三个级别，分别是发起人、贡献者和采用者，发起人由董事会组成并具有领导作用，贡献者和发起者公司可以参与工作组，而采用者只能看到最终规范并获得知识产权保护，联盟目前仅开放后两个会员级别申请。如今的UCIe联盟当中，尽管中国半导体十多家国内半导体企业参与，但大多停留在贡献者和采用者的层面，由于参与权限不高，国内企业在联盟标准的制定等核心工作方面的整体缺乏话语权。
▲UCIe 联盟成员
一方面，本土半导体企业加入UCIe联盟，可更好与国际先进厂商合作，有助于本土厂商技术提升和产品迭代。另一方面，英特尔等联盟发起者对于Chiplet互连技术有着深厚经验与成熟产品规范，背后是一系列专利、知识产权的博弈。中国半导体企业想要加入UCIe关于互连接口及Chiplet生态，必然要缴纳高昂的“入门费”，无从建立中国自己的Chiplet产业生态。我国改革开放之后，承接发达国家产业转移，本土半导体公司在为英特尔、ARM、苹果公司、德州仪器等外国企业做代工和供应商过程中茁壮成长。如今韦尔股份、深南电路等优秀半导体公司在为外国企业提供零部件的过程中也在加强研发投入，拥有一定的知识产权积累。目前我国正处于承接第三波产业转接阶段，本土企业享受到很多产业、政策红利。从供应链、价值链从低端位置逐步向高端延伸。本土企业日益具备全球核心竞争力。通过强大的自主研发能力，逐渐破除卡脖子、供应链稳定等发展瓶颈。但是努力不可能一蹴而就，差距是逐渐缩小的过程。目前本土企业依然在高精尖领域面临各种困境和短板，甚至是一些长期而又复杂的结构性问题。本土半导体企业想进一步发展，在一定程度上还需要与国外先进公司进行产业链上的合作。如此才能获得更大的市场规模和增强“供血”能力。并在国外公司严苛认证程序和标准之下不断进行技术和产品迭代。由小至大，由大到强。因此本土企业加入UCIe联盟也是合作发展之举。UCIe联盟，英特尔等企业战略布局的背后不得不说，UCIe联盟中成员并非“铁板一块”，加入UCIe联盟也并不是一劳永逸。UCIe联盟毕竟是以英特尔为核心的利益集团，内部矛盾凸显，并且有诸多协议针对中国公司的嫌疑。第一，chiplet的接口物理层依旧处于持续演进，并没有实现真正的统一接口。据了解已有商用的chiplet接口协议，包括intel、AMD、TSMC都在内，无论是带宽密度、延迟、能耗，差别巨大，因为他们各自在进化路径中都选择了其各自不同的进化路径。他们之间是无可能互联的。除开接口规格，chiplet本身的封装形式带来的物理约束也相差甚大。第二，UCle作为通用开放互连协议，应该从标准的协议到参考实现都是开放的，但是实现参考设计所需要的技术细节，在标准协议中并没有展现。对此，有中国半导体企业的资深专家曾专门向另一家更早开展chiplet互连标准制定的美国组织ODSA写邮件询问，对方明确表示：该标准中很多涉及实现的技术细节是不能对中国开放的。这与美国政府的“视同出口”规定有关，美国企业假如没有申请出口许可就将技术输向海外，哪怕只是在标准会议中的技术探讨，都属于违规。第三，UCIe是intel新IDM2.0商业模式以及对chiplet产业链控制的一环。英特尔希望能够维护和丰富其生态系统的完整性。UCIe标准明确提出支持CXL和PCIe协议，而这两个互连协议均由英特尔提出和创建。当下我国在先进制程发展方向受阻，无奈之下上发力chiplet，若是仅仅加入UCIe联盟，本土企业无疑在chiplet赛道继续被美国卡脖子，永远只能受制于人，做外国先进半导体企业的代工厂和供应链。长此以往本土企业无法做强，难以和国外先进半导体企业正面竞争。最后，UCIe在封装技术上，支持标准封装、先进封装，其中标准封装属于入门级，只能用在不追求高性能的芯片中，而它列出的英特尔EMIB、台积电CoWoS、日月光FoCoS-B三种先进封装方式，本土工厂目前都不支持。这其中蕴含的风险在于，倘若UCIe支持的三种先进封装技术被禁运，大陆厂商想用UCIe协议，只能采用标准封装的方式。而采用标准封装方式的chiplet间互连带宽，仅有采用先进封装带宽的1/6，性能大幅缩水。值得一体得是，如要获取相关接口标准资料，本土企业加入UCIe联盟需要缴纳巨额信息费，这无形给本土企业带来沉重的压力。并且在当下中美对抗的背景下，UCIe标准对国内产业的价值还很模糊，尤其在全球科技“武器化”和美国政府提防中国科技崛起的地缘冲突背景下，这个新标准预计很难为国内厂商提供助力。国内外chiplet标准有何异同？在摩尔定律逼近极限的今天，Chiplet的发展已是大势所趋，不过其前路仍然面临着不少挑战，需要产业界各个产业链的厂商支持，才能最终迎来其发展腾飞。2022年12月16日，酝酿已久的中国《小芯片接口总线技术要求》团体标准（T/CESA 1248-2023），正式通过了工信部中国电子工业标准化技术协会的审定，并在当天举办的“第二届中国互连技术与产业大会”上向世界发布，这是中国首个原生Chiplet技术标准。这对中国芯片产业而言，无疑是在近期激烈的全球竞争中，迎来的最重要的一项利好。国内外chiplet标准有何异同？两个标准的关键区别之一在于，UCIe在D2D组成的芯片中，加入了一种叫retimer的功能芯片定义，它负责把信号由并行转成串行，然后以更高速度传送到较远的地方。郝沁汾谈道，这个目的主要是为了实现英特尔自身在数据中心中CPU和内存解耦、资源池化方案。国内中国“小芯片”标准则不包括这部分内容，而是一个纯粹的D2D互连标准。郝沁汾认为，我国的标准更加符合国情。比如在物理层，国内chiplet标准同时支持单端信号和差分信号，单端的信号是一根线，差分信号是一对线，可以把信号传的更远一点。通过chiplet将两个芯片互连，只要支持差分信号，就能使国内某些加速器芯片厂商实现将相同的芯片通过差分信号接口相连，以拓展总体性能的目的。这种先用成熟工艺做出小芯片、再用先进封装技术把它们拼在一起的方式更加廉价经济，可替代采用7nm、5nm先进制程工艺生产芯片的昂贵方案。中国“小芯片”标准描述了CPU、GPU、人工智能芯片、网络处理器和网络交换芯片等应用场景的小芯片接口总线（Chiplet）技术要求，包括总体概述、接口要求、链路层、适配层、物理层和封装要求等，以灵活应对不同的应用场景、适配不同能力的技术供应商，通过对链路层、适配层、物理层的详细定义，实现在小芯片之间的互连互通，并兼顾了PCIe等现有协议的支持，列出了对封装方式的要求。郝沁汾在谈到中国发布的小芯片相关技术标准时指出：中国的小芯片从标准的协议到参考实现都是开放的，实现参考设计所需的技术细节，我们都可以在标准协议中找得到。我们将围绕这样一套原生的技术标准，进一步完善标准内容，开发相应的参考设计，并孵化相应的企业，以推动我国集成电路行业围绕Chiplet技术形成更加广泛的社会分工。同时CCITA已经在考虑和Intel UCIe在物理层上兼容，以降低IP厂商支持多种Chiplet标准的成本。中国“小芯片”标准突出中国企业产业诉求中国“小芯片”标准与由英特尔领衔制定的UCIe并非竞争关系。郝沁汾表示，一方面，UCIe所瞄准的是全球化的设计行业的标准，而中国“小芯片”标准当前更多关注的是希望为本土芯片企业发展带来助力，向世界发展是未来规划；另外，在标准内容设计上，两者之间也有自身偏重。《小芯片接口总线技术要求》更偏重chiplet本身的设计内容，UCIe的内容还体现了Intel对数据中心业务的设想。一些IP厂商也希望中国“小芯片”标准能够与UCIe兼容，中国“小芯片”标准与UCIe在物理层上的兼容也是发展方向之一，以降低IP厂商支持多种Chiplet标准的成本。本土企业可以积极参与国际分工、合作。本质上，两者之间并非竞争关系。亚太芯谷研究院院长冯明宪称，中国的《小芯片接口总线技术要求》的制定有利于本土半导体企业建立自己的生态圈。本土半导体企业不一定要和国外先进厂商进行全方位、顶尖技术层面的竞争，可以先立足于自身最擅长的技术领域，打好基础，兼顾考量到中国企业的特色和优势。中国“小芯片”产业链生态任重道远Chiplet这个新兴技术领域中，会涉及到多家企业同时在做各种功能芯片的各类设计、互连、接口，如果没有统一的标准，市场和生态是做不大的。于是英特尔振臂一挥，一呼百应，把芯片圈最有话语权的代工商、封测商、芯片设计龙头、云计算巨头聚到一起。在郝沁汾看来，英特尔牵头这些标准的核心动力，是维护和丰富其生态系统的完整性。UCIe标准明确提出支持CXL和PCIe协议，而这两个互连协议均由英特尔提出和创建。如同Intel UCIe一样，国内Chiplet标准需要构建生态圈，需要聚集芯片代工厂、IP供应商和芯片设计巨头等公司，并积极接纳新成员加入，拓宽联盟覆盖范围。以美国为代表的一些发达国家对我国半导体业不断施压，给国内半导体发展带来重重阻力，在这种状况下，国产替代的步伐则变得更为紧迫。尤其EDA工具及IP、半导体设备及材料等涉及较多“卡脖子”环节的问题，将是重中之重。
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