国内首款基于Chiplet的AI芯片亮相，华为最早布局的“小芯片”成弯道超车新机遇？

作者：Levin

物联网智库 整理发布

导读

在摩尔定律逼近极限的今天，Chiplet的发展已是大势所趋，也是我国半导体为数不多的反超国外的机会之一。近日，在西安高新区举行的秦创原人工智能前沿科技成果发布会暨重点成果转化签约仪式上，国内首款基于Chiplet（芯粒）技术的AI芯片“启明930”正式亮相。
据了解，“启明930”为北极雄芯开发的首款基于Chiplet异构集成的智能处理芯片，该芯片采用12nm工艺生产，中央控制芯粒采用RISC-V CPU核心，可通过高速接口搭载多个功能型芯粒，并基于全国产基板材料以及2.5D封装，做到算力可拓展，提供8~20TOPS（INT8）稠密算力来适应不同场景，目前已与多家AI下游场景合作伙伴进行测试。
北极雄芯创始人马恺声教授发布启明930

Chiplet是平衡性能与成本的“灵丹妙药”

当前，摩尔定律逐步趋近于物理极限，新工艺制程发展虽然使得芯片的体积与性能不断迭代，但同时也带来了高昂的成本。据IBS统计，28nm芯片的设计成本在4000万美元，16nm芯片设计成本约1亿美元，而5nm芯片的设计成本更高达5.4亿美元。

再继续发展下去，先进工艺的投入产出比已难以具备商业合理性，同时受制于光刻尺寸及晶圆厂良率，单芯片的面积也很难继续延伸，未来芯片设计的成本将直接“劝退”中小厂商，甚至大厂也需要摸一下自己的口袋。而Chiplet的出现则是给了整个行业一个新的思路，Chiplet技术可以将大型7nm设计的成本降低25%，5nm及以下的制程节省的成本更多，基于Chiplet架构的芯片设计理念也逐步成为后摩尔时代提升芯片性能及算力的共识。
根据Gartner预测，基于Chiplet方案的半导体器件收入将在2024年达到505亿美元左右，2020-2024年间复合增速高达98%。近年来，国外厂商基于Chiplet技术在各领域都有所尝试，利用Chiplet技术在自身CPU、GPU等通用芯片上的应用已逐步商业化，可以将多颗不同工艺、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，当前AMD推出的锐龙、霄龙处理器，英特尔最新的酷睿、至强处理器，都是典型的小芯片架构，而苹果M2 Max芯片通过“简单”的拼接，更加充分地展示出Chiplet在封装互连技术、半导体制造和电路设计上的巨大想象空间。
放眼国内，在先进制程受到国外限制情况下，国产化替代进程逐渐加速，Chiplet也为国内厂商和市场开辟了新思路，是仅有的几种可满足国内日益增长的大算力需求的方式之一，有望成为我国集成电路产业在逆境中的突破口。同时，面对碎片化且预算有限的算力芯片需求，Chiplet可快速部署高性价比的工程化方案。
简单来说，Chiplet技术就是对原本复杂的SoC芯片的解构，将满足特定功能的裸片通过die-to-die内部互连技术与底层基础芯片封装组合在一起，类似于搭建乐高积木一般，最后集成为一个系统级芯片，如采用28nm的芯片，通过Chiplet的方式，便可使其性能和功能接近16nm甚至7nm工艺的芯片。这样可以通过对不同功能模块的芯片选用合适的制程工艺，从技术方面实现各功能的最优化、成本的最小化、性价比的最大化、模块复用的灵活化。
而在算法差异化显著、专用化需求逐渐增强的AI领域，“启明930”背后北极雄芯独创的基于Chiplet模式的异构集成方案，通过将通用需求与专用需求的解耦，大幅降低了芯片设计投入门槛及风险，有效解决了下游客户在算法适配、迭代周期、算力利用率、算力成本等各方面难以平衡的核心痛点，可广泛应用于数据中心、自动驾驶、隐私计算、工业智能等领域。

我国需要自己的Chiplet技术标准

作为一种互连技术，Chiplet与其他很多技术类似，标准的制定对整个产业来说意义重大。就像乐高积木之所以能够在全球风靡，其中的一个重要原因就在于其积模件的标准化。对于Chiplet来说，能否进一步向前发展，很大程度上取决于能否出现一种将不同芯片模型连接起来的标准接口。
在去年3月份，全球知名芯片制造商英特尔、台积电、三星联手芯片封测龙头日月光，携手AMD、高通、谷歌、微软、Meta等科技行业巨头推出了全新的通用芯片互连标准UCle，旨在为小芯片互连定制一个新的开放标准，简化相关流程，并提高来自不同制造商的小芯片之间的互操作性。这一标准之下，芯片制造商可以在合适的情况下混合构建芯片。目前，UCIe产业联盟的会员囊括了集成电路领域设计、制造以及用户等上下游的上百家重要企业。
对于我国的芯片产业来说，积极拥抱国际标准是一个必选项，定制我国自己的Chiplet标准更是迫在眉睫。
早在2020年，中科院计算所就牵头成立了中国计算机互连技术联盟（CCITA），重点围绕Chiplet小芯片和微电子芯片光I/O成立了2个标准工作组，并于2021年6月在工信部中国电子工业标准化技术协会立项了《小芯片接口总线技术》和《微电子芯片光互连接口技术》两项团体标准。其中，小芯片接口标准的制定共集结了国内产业链上下游六十多家单位共同参与研究。
在去年12月16日举办的“第二届中国互连技术与产业大会”上，首个由中国集成电路领域相关企业和专家共同主导制定的《小芯片接口总线技术要求》团体标准，正式通过工信部中国电子工业标准化技术协会的审定并发布。这是中国首个原生Chiplet技术标准，对于中国集成电路产业延续“摩尔定律”，突破先进制程工艺限制具有重要意义。
这项标准描述了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，实现小芯片之间的互连互通，兼顾了PCIe等现有协议的支持，并列出了对封装方式的要求。

写在最后

除北极雄芯等初创公司外，国内大厂也早已拥抱Chiplet。华为是国内最早尝试Chiplet的一批公司；海思半导体也在早期与台积电合作过Chiplet技术；国产芯片厂商芯动科技在一款高性能服务器级显卡GPU上使用了INNOLINK Chiplet技术；芯片封测企业长电科技也宣布已研发成功4纳米Chiplet技术，封装面积可以达到1500mm²，并实现了系统级封装，在全球居于领先地位。
在目前芯片工艺被国外“卡脖子”的情况下，很多人都认为Chiplet是我国在芯片领域弯道超车的一个机会，但不要忘了，在实际驾驶的过程中，弯道超车是要尽力避免的操作，在直线上加速超车才是正确的行为。芯片产业的积累也不是短时间可以完成的，Chiplet本身只是一种新的封装理念和技术发展的思路而已，可以将不同节点工艺、不同材质、不同功能、不同半导体公司的芯片封装在一起。而国内厂商要走“全自研”路线，仍需打磨很长时间。
不仅如此，解决Chiplet的互联标准也只是第一步，Chiplet在国内还面临着如何做出来以及谁来用的问题。在技术层面，Chiplet面临着来自多个方面的挑战，需要依靠国内高校等机构的科研实力，联合国内大厂，攻克Chiplet在设计、封装、测试等环节的一众难题；在应用方面，也需要联合国家重点单位、大型企业、服务器应用商、智能车企业等来协同，才能使我国的Chiplet真正实现做得出来、卖得出去。
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参考资料：1.《国内首款基于Chiplet AI芯片“启明 930”亮相西安高新区》，凤凰网2.《“清华系”企业北极雄芯 发布首款基于Chiplet架构AI芯片》，爱集微3.《北极雄芯完成天使+轮融资，引入众多知名产业资本》，北极雄芯官网4.《续写摩尔定律！国产Chiplet标准将出炉，小芯片迎来大爆发？》，物联传媒

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