4000亿大蛋糕下，中美竞速Chiplet芯片落地｜硅基世界

AMD公司使用Chiplet技术的AI芯片产品（来源：AMD）

随着“摩尔定律”失灵、先进工艺放缓受限下，借封装弥补制程工艺放缓的Chiplet（小芯片、芯粒）已成为芯片技术发展的新路径之一。因此，中国、美国开始加速发力Chiplet技术的商业化落地。

8月上旬，由英特尔、AMD、高通和英伟达等芯片巨头发起成立的全球Chiplet生态联盟UCIe，公布1.1规范版本更新，称建立Chiplet生态合规和互操作性测试要求，并首次成立汽车工作组推进Chiplet在车芯上落地。早前，AMD发布了全球首个CPU（中央处理器）与GPU（图形处理器）耦合、拥有1460亿晶体管的 AI 加速芯片Instinct MI300，利用13个Chiplet实现性能提升，超越英伟达产品，计划今年下半年量产。

与此同时，中国也在积极Chiplet技术生态布局。近日，无锡市创投、无锡锡东新城商务区管委会、清源投资、无锡芯光互连技术研究院四方共同发起成立“芯光互连产业基金”，这是国内首个重点关注Chiplet芯片设计的垂直性产业基金项目，并启动国内Chiplet开发者大赛，推进国内Chiplet技术的应用落地。

“Chiplet热潮在全世界就两个国家，一个是美国，一个是中国。”中国工程院院士许居衍8月10日表示，Chiplet技术将改变芯片设计、电子系统的“设计范式”，不仅使设计电路如同“搭积木”成为可能，而且有利于集成电路应用创新。

中国计算机互连技术联盟秘书长郝沁汾 对钛媒体App表示，Chiplet技术涉及到芯片全产业链，国内包括设计、EDA/IP、封装和制造环节的企业都在积极关注Chiplet技术进展，成熟工艺和Chiplet技术结合，在某些应用领域能够接近或替代传统7nm、5nm先进制程芯片的技术效果。

许居衍院士强调，“中国Chiplet的开放大有可为。”

规模将超4000亿，中国同时面临机遇与挑战

Chiplet即“小芯片”或“芯粒”，是芯片制造领域近年备受热议的技术路线，通过把不同芯片的能力模块化，利用新的设计、互连接口、封装等技术，在一个封装的产品中使用来自不同技术、不同制程甚至不同工厂的芯片，从而不仅满足多元化、差异化市场需求，还能显著降低芯片开发成本。

早至上世纪70年代，业界就有与Chiplet类似的“多芯片模组”（MCM）概念，后拓展为“多芯片封装协议”（MCP）、“多元件集成电路”（MCO）等。后来，Chiplet概念由美国半导体公司Marvell创始人周秀文（Sehat Sutardja）于2015年提出的模块化芯片架构演化而来，AMD率先将其应用于服务器芯片设计。

实际上，从16nm/14nm节点开始，芯片设计和制造成本飙升，一个完全规模化工艺点的更新周期从18个月延长到30个月甚至更长，半导体工艺技术发展带来的功耗、性能和面积（PPA）收益下降。如今最先进的芯片有数十亿个晶体管，但芯片的扩展变得越来越困难，而且扩展所带来的价格、性能和功率优势的缩减速度都快于晶体管，尤其超过3nm之后，FinFET（鳍式场效晶体管）技术将失去动力。

同时在价格方面，芯片成本随着制程工艺升级不断增加。以先进工艺节点处于主流应用时期的设计成本为例，工艺节点为28nm时，单颗芯片设计平均成本约为4000万美元，7nm芯片的设计成本为2.17亿美元，5nm芯片的设计成本为4.16亿美元，3nm的设计将耗资5.9亿美元。

因此，考虑到整个芯片制造成本与功效等因素，将一个较大的芯片分解成多个更小的芯片，并根据需要进行混合和匹配的成本更低，产量更高的Chiplet应运而生。

据研究机构Omdia的数据预计，到2024年，Chiplet的市场规模将达到58亿美元，是2018年6.45亿美元规模的9倍；到2035年，市场规模将进一步扩大到570亿美元（约合人民币4151.08亿元）以上，是2018年规模的88倍。预计Chiplet技术将迎来广阔的发展空间。

如今，国内外Chiplet相关公司纷纷涌入赛道，积极布局Chiplet技术，在架构设计、互连接口和制造及先进封装等产业链各方面都有新兴的技术出现。（详见钛媒体App前文：《搜索量暴增6000倍，“小芯片”能突围芯片封锁？》，《争议的“小芯片”技术，能否帮助中国芯片“弯道超车”？》）

据钛媒体App的统计，目前国内从事Chiplet相关研发的企业和机构主要包括四类：

• 一是做计算芯片设计的企业，例如寒武纪、壁仞科技、瑞芯微电子（Rockchip）等；
• 二是以芯原股份、芯耀辉、芯和半导体等 EDA/IP（知识产权）企业；
• 三是一批新兴的专为企业提供Chiplet设计方案的封装设计服务公司，例如奇异摩尔等；
• 四是后端封测制造企业，例如长电科技、华天科技、通富微电、甬矽电子等公司。

而且，Chiplet标准方面也备受关注，国内主要包括中科院计算所，工信部电子标准院，以及华为、中兴等多家中国企业和科研院所。

国外则主要是UCIe联盟，发起成员包括AMD、Arm、日月光（ASE）、谷歌云、英特尔、英伟达、Meta、微软、高通、三星、台积电以及阿里巴巴；贡献者成员包括IBM、应用材料、LG、安靠、博世、SK海力士、西门子、长电科技、通富微电、合见工软等；采用成员包括力积电、芯来科技等。此外，欧洲微电子研发中心（IMEC）也在开展Chiplet相关研究。

郝沁汾向钛媒体App透露，截至目前，中科院计算所发起的Chiplet组织中国计算机互连技术联盟（CCITA）成员企业已达100家。

当前，海外企业在Chiplet方向上有多个落地产品、进步速度较为激进。例如台积电，其正在开发一种名为“集成芯片上系统”(SoIC)的技术，这种技术可以为客户提供使用芯片的3D设计；而AMD在Chiplet技术上深耕已久，目前7nm CPU和GPU产品均使用了Chiplet设计并封装，未来AMD还将通过转接板和更密集的互连减少连线开销，直接在计算芯片上堆叠存储芯片，以及3D堆叠技术实现芯片封装等。

国内方面，今年1月，晶圆封装龙头长电科技宣布，公司XDFOI Chiplet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；龙芯中科采用Chiplet技术，研发出一款面向服务器市场的32核CPU处理器龙芯3D5000，已经于今年上半年提供测试样片；而寒武纪第四代Al处理器MLUarch03、壁仞科技通用GPU BR100等量产芯片也都采用了Chiplet技术。

北京超摩科技CEO范靖认为，Chiplet技术为高性能CPU设计提供多个技术优势和机遇，比如Chiplet使得良率提升、能实现用最小产能服务最多的芯片、最大程度利用先进工艺产能等。

不过，当前由于生态系统问题、测试、缺乏标准等因素，Chiplet技术的使用也受到了限制，面临一定挑战，尤其是Chiplet对于芯片互连间传输、翘曲带来的制造良率、统一标准、安全性和可靠性等问题有一定影响。

• 例如，现在行业采用的Chiplet方法是将每个芯片单独设计并封装在一起，但这增加了芯片之间的延迟，而且效率并没有那么高；
• Chiplet在设计、验证和建模方面需要做更多的工作，测试需要在产品的整个生命周期中不断进行，但Chiplet的挑战是在寿命周期的早期发现问题，最迟在器件、封装产品离开工厂之前，否则就需要重新设计流片，增加了量产时间；
• 而且Chiplet还需要一个标准化的接口，从而可供扩展或选择，然而，多个厂商都用自己的标准协议，无法统一解决将制造和封装与电气标准相结合的问题，需要协议来确保跨系统的数据完整性。

此外，范靖提到，随着采用Chiplet设计的芯片规模越做越大，封装复杂度上升，存在翘曲的风险，可靠性变差，还有算力增大、3D堆叠引入了额外的功耗、面积、延迟等问题，从而直接影响芯片性能、物理布局、内存传输、测试等。

“一是灵活性易用性如何实现，包括CPU核架构的选择、如何用尽可能少的流片满足不同产品对CPU核数的需求、如何在多裸片扩展时无缝实现核间缓存一致性、如何方便有效地完成CPU Chiplet和应用之间的软件整合等问题；

二是如何解决互连互通问题，包括做哪个标准、何时标准能融合、有没有可能一个设计兼容多种协议、有了标准离完全的互连互通还有多远、访存延迟问题等；

三是如何把CPU Chiplet做出价值来，包括CPU主频更高、功耗及能效比更好、面积更好、系统级就绪、车规要求等；

四是供应链方面的挑战。”范靖表示。

郝沁汾表示，受到中国芯片产业整体发展水平的制约，Chiplet想要快速实现规模化落地，依然面临着产业生态基础薄弱的问题。尽管中国Chiplet热度和企业积极性超过了美国，但国内产业链仍需要建立统一的标准体系，而且需要全行业提供Chiplet技术更细致的战略发展方向。

Chiplet发展道阻且长

行业普遍认为，Chiplet的发展大致分为两个阶段：一是企业希望实现成本下降、部分性能提升，对自家产品的“分解”和“组合”，并在此期间逐步催熟配套的封装、测试、互连接口等环节；二是不同厂商、不同功能的专用芯粒“组装”，设计、互连接口、封装等方面标准各不不同。

8月10日，全流程Chiplet及高端芯片封测制造方案商苏州锐杰微董事长方家恩提到，Chiplet技术的关键就是要建立互连技术标准，这对于企业和产业十分重要。

2022年12月，由中国计算机互连技术联盟(CCITA)牵头，联合工信部中国电子工业标准化技术协会以及数十家企业和研究机构，联合发布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（下称“技术要求”），成为中国首个原生Chiplet技术标准。

过去一段时间，郝沁汾一直为Chiplet技术在行业和学术领域奔走，希望促进Chiplet标准化。

郝沁汾告诉钛媒体App，过去半年，CCITA联盟一方面实现技术要求（T/CESA 1248-2023）标准于2月起正式实施，另一方面希望这套中国主导制定的Chiplet团体标准国际化，正推动其与IEEE（电气电子工程师学会）合作以探索实现国际chiplet标准的可能性。此外，CCITA联盟还基于技术要求标准制作参考设计，并建立更多工作组，加速推进国内Chiplet生态。

郝沁汾直言，有序、无序不代表没有竞争，而企业之间具有利益冲突性，很难直接达成统一的标准。因此，国内Chiplet芯片市场应需要有一个核心的梳理和推动产业发展者。

“如果目前标准不统一的情况下，可以试图在物理层上兼容，这种可能性是最大的。但是不存在一种可能性，即把UCIe和国内技术要求两个标准完全统一。即使在一般协议标准中，很多技术都是在底层突破。”郝沁汾表示。

郝沁汾曾提到，目前UCIe已基本制定完毕，国内企业能够贡献的内容有限。若涉及敏感技术细节，美国出口管制法规中有条款规定，没有事先申请出口管制许可，即使是在标准活动中的讨论，也会违背出口管制。“这可以证明，现阶段加入美国标准组织，不能抱太多幻想。”

值得注意的是，无锡市创投还与芯光互连研究院等四家机构共同发起成立“芯光互连产业基金”，重点推动早期Chiplet技术创业和产业落地。郝沁汾向钛媒体App透露，虽然基金规模不大，但其希望能在初期推进Chiplet产业链企业在无锡落地，并逐步建立产业集群。

郝沁汾强调，该产业基金不会注重短期回报，而是长期推进Chiplet产业布局，预计年内投资数十家企业。同时，该基金会利用Chiplet开发者大赛“筛选”挑选好的技术项目。目前该大赛共推进三个赛道，包括基于Chiplet架构的SoC芯片；面向Chiplet应用的接口IP与功能芯粒；面向Chiplet应用的EDA工具，一二三等奖项目如总部落地无锡锡山区，纳入芯光互连产业基金备投库，分别可给予最高500万、300万、100万元的天使投资。

许居衍院士认为，目前中国在Chiplet优势包括拥有领先的先进封装的企业、提出了芯粒互连接口协议标准、上下游企业和学术产业较为完整等。

许居衍提出Chiplet发展的三种解决方法；一是以高性能计算为抓手，对之进行“功能分解”，对需要新增添的异构性以及相应技术（如EDA）列出，寻找解决办法；二是在时期成熟基础上，以MPW（多项目晶圆加工）形式流片；三是集中发展先进封装技术的工程化开发。

“其实Chiplet并不是“弯道超车”，而是它本来就在这条道上，但现在业界在这个事情上有“弯道超车”的解读，更多可能是国家之间的竞争来理解这个技术。就目前看，Chiplet在某些应用领域能够代替掉先进制程或传统集成电路技术。对于中国来说，受限于国家之间的竞争下，我们被逼到不得不做（Chiplet）这条路上。”郝沁汾表示，中国只靠Chiplet技术难以“弯道超车”。Chiplet并不能替代以光刻机的演进为主要方向的传统集成电路技术路线。

当前，对于Chiplet技术发展仍有一些争议，比如其难以用于移动手机、汽车通信等场景的芯片设计中，企业垄断标准等问题。

郝沁汾强调，由于Chiplet技术仍在不断创新，并长期影响芯片产业的发展，国家应该及时加大引导及分配资源，以实现更高的投入产出比，这样可以加快推动中国的Chiplet技术和生态在全球取得领先地位。（本文首发钛媒体App，作者｜林志佳）

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