隨著先進工藝逼近物理極限，高昂的研發(fā)費用和生產(chǎn)成本，導(dǎo)致芯片的性能提升無法持續(xù)等比例延續(xù)，先進封裝以及Chiplet（芯粒）正在掀起后摩爾時代的新一輪半導(dǎo)體技術(shù)演進。英特爾、臺積電等半導(dǎo)體龍頭，日月光、長電科技、通富微電等封測大廠，都將Chiplet作為未來的主攻方向。

換道行駛，續(xù)命摩爾定律

一直以來，頭部廠商通過不斷提升制程工藝和擴大芯片面積推出算力更高的芯片產(chǎn)品。雖然GPU、CPU＋FPGA等芯片已經(jīng)對現(xiàn)有模型構(gòu)成底層算力支撐，在應(yīng)對生成式AI及大模型對算力基礎(chǔ)設(shè)施提出的新要求，都多少顯得有些捉襟見肘。

伴隨著摩爾定律逼近物理極限，制程升級和芯片面積擴大帶來的收益邊際遞減，架構(gòu)創(chuàng)新或成為提升芯片算力另辟蹊徑的選擇。

Chiplet及先進封裝方案能夠彌補先進制程落后的劣勢，通過將來自不同生產(chǎn)廠商、不同制程工藝的芯片組件“混搭”，降低實現(xiàn)目標性能所需的成本。研究數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)5nm芯片的面積達到200㎜2以上，采用5Chiplet方案成本將低于單顆SoC，并將大幅降低因面積增加帶來的良率損失。

除了成本和良率端的優(yōu)勢，Chiplet技術(shù)帶來高速的Die to Die互連，使多顆計算芯粒得以集成在一顆芯片中，實現(xiàn)算力的大幅提升。

臺積電是Chiplet工藝的領(lǐng)軍者，目前其技術(shù)平臺下有CoWoS、InFO、SoIC三種封裝工藝。其中，早在2016年英偉達Tesla P100 AI數(shù)據(jù)中心GPU就已經(jīng)應(yīng)用CoWoS工藝，AMD的最新GPU、CPU也廣泛采用了該工藝。此外，三星、Intel等龍頭廠商亦推出了各自用于Chiplet的封裝技術(shù)，如三星I-Cube（2.5D封裝），X-Cube（3D封裝），英特爾EMIB（2.5D封裝），英特爾Foveros（3D封裝）。

不止在國際，近幾年Chiplet在中國大陸也非常火爆，特別是美國開始打壓中國半導(dǎo)體業(yè)以來。Chiplet既能減少先進制程用量，同時又能帶來先進制程的好處，這為國內(nèi)芯片企業(yè)提供“換道行駛”的機會。


先進制程和先進封裝，孰更顯著？

在提升芯片性能方面，先進制程路線是通過縮小單個晶體管特征尺寸，在同等芯片面積(Die size)水平下，提升晶體管集成度（同等設(shè)計框架，芯片性能/算力與晶體管數(shù)目正相關(guān)）；而先進封裝并不能改變單個晶體管尺寸，只能從系統(tǒng)效率提升的角度，一是讓CPU更靠近Memory，讓“算”更靠近“存”，提升每一次計算的算存效率。二是讓單個芯片封裝內(nèi)集成更多的元件：信號傳輸速度排序，Wafer > IC substrate > PCB，元件在芯片內(nèi)部的通訊效率比在板級上更高，從系統(tǒng)層面提升芯片性能。

在芯片輕薄化方面，在不犧牲芯片整體性能的前提下，先進制程能夠在算力和晶體管數(shù)目不變時，通過縮小單個晶體管特征尺寸，實現(xiàn)芯片面積(Die size)縮??；而先進封裝，因為封裝對晶體管尺寸無微縮的能力，只能通過更精細的材料、更致密的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)輕薄化。比如，手機AP處理器的封裝多采用FCCSP的封裝形式，其結(jié)構(gòu)包括一個CSP載板，而Fanout（TSMC與APPLE公司合作，APPLE公司的A系列芯片多采用InFO技術(shù)封裝，即Fannout）封裝，取消了CSP載板（CSP載板約0.3 mm厚度），封裝后的芯片更輕薄，對整機（手機）結(jié)構(gòu)空間余量有重要提升。

在高性能和輕薄化兩個方向上，先進制程可以做到兼顧，而先進封裝則有取舍。比如，APPLE的A系列芯片，從A10升級到A11時，由16 nm工藝提升至10 nm工藝，芯片面積從125 mm2減小至88 mm2，而晶體管集成數(shù)則由33億顆增加至43億顆；A系列芯片從A13升級到A14時，晶圓工藝從7nm升級到5nm，芯片面積從98 mm2減小至88 mm2，而晶體管集成數(shù)則由85億顆增加至118億顆，做到了性能提升和輕薄化的兼顧。而先進封裝，要做到芯片性能提升，因為封裝對晶體管尺寸微縮沒有效果，提升性能一是增加芯片內(nèi)部各元件的協(xié)作效率，二是往一個系統(tǒng)中堆疊更多的元件（本質(zhì)上也是提升了系統(tǒng)內(nèi)的晶體管數(shù)據(jù)），代價就是系統(tǒng)體積、面積更為龐大，即先進封裝提升性能的代價是犧牲輕薄，實現(xiàn)輕薄的代價是犧牲性能的提升。

在技術(shù)可獲得的前提下，提升芯片性能，先進制程升級是首選，先進封裝則錦上添花。通常我們可以見到的是，高性能、大算力的芯片，會考慮上先進封裝（2.5D、CoWoS等），但這些大算力芯片往往也同時采用的先進制程工藝，也就是說，先進封裝/Chiplet應(yīng)用通常只出現(xiàn)在頂級的旗艦芯片的封裝方案選擇中，并不是一個普適性的大規(guī)模應(yīng)用方案。

這些芯片都是在擁有先進制程的基礎(chǔ)上，為了進一步提升芯片性能，而采用了CoWoS這些2.5D先進封裝技術(shù)，說明了先進制程在工藝路線的選擇上是優(yōu)于先進封裝的，先進制程是升級芯片性能的首選，先進封裝則是錦上添花。


大功耗、高算力的場景，先進封裝/Chiplet有應(yīng)用價值

在先進制程不可獲得的情況下，通過芯片堆疊（先進封轉(zhuǎn)/Chiplet）和計算架構(gòu)重構(gòu)，以維持產(chǎn)品性能。以APPLE的A系列芯片參數(shù)為例，A12、A10、A7芯片分別采用7 nm、14/16 nm（Samsung 14 nm、TSMC 16 nm）、28 nm制程。A系列的手機AP芯片，通常芯片面積（Die Size）在約100 mm2大小。在這100 mm2大小的芯片上， A12、A10、A7芯片分別集成了約69億、33億、10億顆晶體管。

下面，我們簡單進行算術(shù)換算，討論降制程如何維持芯片的算力。

如果芯片工藝從7 nm降至14 nm，A12芯片上7nm工藝集成69億顆晶體管，如果用14 nm工藝以試圖達到接近的算力，首先要保證晶體管數(shù)目與A12芯片一致，即~70億顆，且在未考慮制程提升對單個晶體管性能有顯著提升的背景下，14 nm工藝的芯片需要兩倍于7 nm工藝的面積，即~200 mm2；如果芯片工藝從7 nm降至28 nm，參考28 nm的A7芯片只集成了10億顆晶體管，如果要達到70億晶體管數(shù)目，則需要將芯片面積擴大至~700 mm2。

芯片面積越大，工藝良率越低，在實際制造中得到的單顆芯片的制造成本就越高，因此，在先進制程不可獲得的背景下，降制程而通過芯片堆疊的方式，的確可以一定程度減少算力劣勢，但是因為堆疊更多芯片，需要更大的IC載板、更多的Chiplet小芯片、更多的封裝材料，也導(dǎo)致因為制程落后帶來的功耗增大、體積/面積增加、成本的增加。

因此，比如，通過14 nm的兩顆芯片堆疊，去達到同樣晶體管數(shù)目的7 nm芯片性能；通過多顆28 nm的芯片堆疊，去達到14 nm芯片性能。此種堆疊方案在HPC（服務(wù)器、AI推理）、基站類大芯片領(lǐng)域可能有適用價值，但對于消費電子領(lǐng)域如手機AP芯片和可穿戴芯片，在其應(yīng)用場景對空間體積有嚴苛約束的條件下，芯片堆疊則較難施展。


標準才是競賽的關(guān)鍵

去年3月，英特爾、AMD、ARM、微軟、谷歌、臺積電、三星、日月光等行業(yè)巨頭成立通用芯?；ミB（Universal Chiplet Interconnect Express，UCIe）產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，使Chiplet的標準化有力地向前邁進了一步。

然而，去年公布的UCIe 1.0標準仍不完善。從UCIe聯(lián)盟公布的白皮書來看，UCIe由三層協(xié)議構(gòu)成，包括協(xié)議層、適配層和物理層。UCIe 1.0規(guī)范中選擇了成熟的PCIe和CXL互連總線標準，主要是針對協(xié)議層，但要使Chiplet做到真正實現(xiàn)互聯(lián)，不僅需要定義協(xié)議層，物理層的標準化同樣重要，這涉及到不同廠商在晶圓制造、先進封裝環(huán)節(jié)采用的技術(shù)工藝、技術(shù)路線，實現(xiàn)起來還需要一個過程，也需要相應(yīng)標準的進一步推進與完善。

Chiplet技術(shù)的核心是生態(tài)之爭，競爭的焦點是標準。目前，Chiplet最大的局限在于整個生態(tài)系統(tǒng)還沒有建立完善，關(guān)鍵則要打通底層的技術(shù)標準。這些年隨著Chiplet概念的持續(xù)發(fā)酵，許多公司都產(chǎn)生了很多好的想法，但由于生態(tài)圈不成熟，尚無法落地。目前能落地多為邏輯芯片與內(nèi)存的堆疊互聯(lián)，模擬芯片、MEMS、光電器件間的整合仍待探索。

不過，Chiplet從概念提出到產(chǎn)業(yè)推進，持續(xù)的時間還不久，很多技術(shù)標準需要完善，這也為中國企業(yè)切入Chiplet行業(yè)，并發(fā)揮更大作用，提供了空間。目前不僅有越來越多中國企業(yè)，如阿里巴巴、芯原股份、芯耀輝、芯動科技等，加入UCIe產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，中國的Chiplet技術(shù)標準也被制訂與發(fā)布出來。

去年12月，中國電子工業(yè)標準化技術(shù)協(xié)會發(fā)布國內(nèi)首個《小芯片接口總線技術(shù)要求》團體標準（T/CESA 1248-2023），標準描述了CPU、GPU、人工智能芯片、網(wǎng)絡(luò)處理器和網(wǎng)絡(luò)交換芯片等應(yīng)用場景的Chiplet技術(shù)要求。日前，中國Chiplet產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟也發(fā)布了《芯粒互聯(lián)接口標準》，該標準為高速串口標準，基于國內(nèi)封裝及基板供應(yīng)鏈進行優(yōu)化。

從技術(shù)層面來看，國內(nèi)企業(yè)在Chiplet上并不占優(yōu)勢。但中國是全球最大的電子信息產(chǎn)業(yè)制造基地，擁有廣闊的下游市場，能定義的應(yīng)用場景極為豐富。以此為基礎(chǔ)，中國企業(yè)在Chiplet領(lǐng)域有著巨大的發(fā)展機會。而標準則是掌握住這個機會的關(guān)鍵一環(huán)。