長(zhǎng)期以來，我們看到的芯片通常是通過一套工藝在一個(gè)晶圓上完成的。以SoC（System on Chip）芯片為例，蘋果最新手機(jī)使用的A12芯片集成了6核CPU、4核GPU、8核神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理器，還有ISP、二級(jí)緩存、I/O等模塊，整個(gè)芯片由臺(tái)積電的7nm工藝制造而成。

　　那么，我們是否可能像搭積木一樣，將不同工藝的芯片模塊組裝在一起來造芯片呢？這種芯片有哪些優(yōu)勢(shì)？該技術(shù)給芯片設(shè)計(jì)、工具、制造和封測(cè)帶來哪些挑戰(zhàn)？對(duì)未來產(chǎn)業(yè)有何影響？目前國內(nèi)外企業(yè)又發(fā)展如何？本文依次給出答案。

　　“即插即用”的Chiplet模式

　　搭積木造芯片的模式名叫Chiplet（直譯為小芯片），它是一類滿足特定功能的die，我們稱它為模塊芯片。Chiplet模式是通過die-to-die內(nèi)部互聯(lián)技術(shù)將多個(gè)模塊芯片與底層基礎(chǔ)芯片封裝在一起，構(gòu)成多功能的異構(gòu)System in Packages（SiPs）芯片的模式。

　　圖1. DARPA關(guān)于Chiplet模式的愿景

　　圖片來源：DARPA

　　Chiplet模式的玩家希望構(gòu)建一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)，這里有一個(gè)豐富的模塊芯片庫可供選擇，集成商根據(jù)需求設(shè)計(jì)芯片架構(gòu)，自由選擇模塊芯片交給制造商進(jìn)行制造和封裝。

　　與傳統(tǒng)制造流程不同的是，集成商不再是購買IP，而是采購滿足整體芯片架構(gòu)的、即插即用的die，這樣的die在工藝上不受其他模塊的約束，工藝選擇靈活，可以是邏輯的芯片，也可以是模擬芯片。

　　理論上講，這種技術(shù)是一種短周期、低成本的集成第三方芯片（例如I/O、存儲(chǔ)芯片、NPU等）的技術(shù)。

　　延續(xù)摩爾定律的新路徑

　　Chiplet模式并不是新概念，上世紀(jì)八十年代工業(yè)界提出的multi-chip modules（MCMs）技術(shù)中就有涉及。在MCMs中，多個(gè)die被連接成模塊，這些MCMs被用于大型機(jī)等高端系統(tǒng)中。

　　2017年，美國DARPA（Defense Advanced Research Projects Agency）再次將該技術(shù)引入大眾視野。其在“電子復(fù)興計(jì)劃”中規(guī)劃了名為“通用異構(gòu)集成和IP重用戰(zhàn)略”（Common Heterogeneous Integration and IP Reuse Strategies，CHIPS）的Chiplet項(xiàng)目，參與方包括英特爾、美光、Cadence、Synopsys多類型企業(yè)等。

　　Chiplet模式的再次受重視，源于被寄希望于解決當(dāng)前芯片技術(shù)發(fā)展三個(gè)問題：

　　依賴器件尺寸縮減延續(xù)到摩爾定律難以為繼。2018年，全球晶圓與聯(lián)電相繼退出7nm芯片制造戰(zhàn)場(chǎng)。如今只有臺(tái)積電和三星兩家企業(yè)保持競(jìng)爭(zhēng)。臺(tái)積電2018年實(shí)現(xiàn)7nm量產(chǎn)，3nm預(yù)計(jì)2022-2023年量產(chǎn)。三星的7nm制程預(yù)計(jì)2019年底量產(chǎn)，3nm預(yù)計(jì)2021年量產(chǎn)。英特爾如今依然主打14nm工藝，10nm工藝2019年有望問世。在3nm環(huán)柵技術(shù)上，依賴尺寸縮減的摩爾定律可能將來到盡頭。

　　圖2. 先進(jìn)工藝節(jié)點(diǎn)

　　圖片來源：三星，華夏幸福產(chǎn)業(yè)研究院

　　先進(jìn)制程芯片的設(shè)計(jì)成本大幅增加。芯片設(shè)計(jì)成本包括EDA軟件、相關(guān)硬件、IP采購、芯片驗(yàn)證與流片和人力成本等。IBS數(shù)據(jù)顯示，22nm制程之后每代技術(shù)設(shè)計(jì)成本增加均超過50%。設(shè)計(jì)一顆28nm芯片成本約為5000萬美元，而7nm芯片則需要3億美元，3nm的設(shè)計(jì)成本可能達(dá)到15億美元。

　　圖3. 先進(jìn)制程下芯片設(shè)計(jì)成本大幅升級(jí)

　　數(shù)據(jù)來源：International Business Strategies，華夏幸福產(chǎn)業(yè)研究院

　　市場(chǎng)對(duì)高性能、多樣化芯片有巨大需求。在未來社會(huì)智能化趨勢(shì)下，大量模擬信號(hào)數(shù)據(jù)（圖片、視頻、聲音、溫度等）需要被高效的收集、處理，并作出決策。在當(dāng)前AI算法框架下，一類場(chǎng)景即對(duì)應(yīng)一類算法，也對(duì)應(yīng)一類芯片（推理）?？紤]芯片出貨量難放量和高設(shè)計(jì)與流片成本問題，目前的芯片制造技術(shù)無法滿足市場(chǎng)需求。

　　Chiplet技術(shù)有望在這樣的背景下延續(xù)摩爾定律，以更快的速度、更低的成本，研制生產(chǎn)出更高性能的芯片產(chǎn)品，滿足快速發(fā)展的智能經(jīng)濟(jì)、智能社會(huì)對(duì)新技術(shù)、新產(chǎn)品的需求。

　　Chiplet模式的優(yōu)勢(shì)

　　Chiplet模式的核心功能在于多功能模塊的集成，技術(shù)優(yōu)勢(shì)主要是相對(duì)于SoC芯片和基于PCB板的集成技術(shù)，長(zhǎng)期發(fā)展有望給現(xiàn)有半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈和商業(yè)模式帶來變革。其優(yōu)勢(shì)可總結(jié)為以下幾個(gè)方面。

　　和基于PCB的集成技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)

　　數(shù)據(jù)來源：Semico Research，華夏幸福產(chǎn)業(yè)研究院

　　功能模塊選擇更靈活。通過die-to-die連接技術(shù)，對(duì)連接到底層邏輯芯片的模塊芯片原則上沒有限制。例如各類AI加速模塊、GPU、ISP、DSP、存儲(chǔ)模塊、I/O模塊等。這些模塊可以考慮特點(diǎn)，選擇性價(jià)比最高的工藝節(jié)點(diǎn)進(jìn)行制造，進(jìn)一步提升Chiplet的靈活性。

　　拓展集成空間，提高集成度。Chiplet芯片一般采用3D集成方案，減小了芯片面積，擴(kuò)展了空間。這有利于滿足市場(chǎng)對(duì)AI芯片算力提升和成本降低的需求。

　　拓展系統(tǒng)優(yōu)化空間。功能模塊的3D互聯(lián)給計(jì)算系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)既帶來挑戰(zhàn)，也帶來更多優(yōu)化空間。以AI芯片的應(yīng)用為例，memory wall是核心瓶頸。對(duì)于云端AI加速場(chǎng)景，Host CPU和AI加速芯片的互聯(lián)以及多片AI加速芯片間的互聯(lián)，目前主要通過PCIe、NvLink或者直接用SerDes等。如果采用Chiplet技術(shù)實(shí)現(xiàn)片上互聯(lián)，帶寬、延時(shí)和功耗都會(huì)有巨大的改善。

　　催生新商業(yè)模式。若代工技術(shù)成熟，Chiplet可能在產(chǎn)業(yè)鏈中催生兩種新角色，一種是Chiplet模塊芯片供應(yīng)商，一種是使用模塊芯片的系統(tǒng)集成商。目前的AI芯片廠商，有的以供應(yīng)IP或外接加速芯片為主，有的做集成AI加速功能的SoC芯片。對(duì)于前者，進(jìn)化為Chiplet模塊芯片供應(yīng)商是個(gè)很好的選擇。后者則可直接做模塊芯片的系統(tǒng)集成商，這樣能夠極大縮短芯片開發(fā)時(shí)間。目前在IoT領(lǐng)域已有這樣的供應(yīng)商和集成商出現(xiàn)。

　　Chiplet模式給快速、低成本開發(fā)復(fù)雜功能的高性能芯片提供了一種可能。特別適用于中小企業(yè)開發(fā)應(yīng)用于“小出貨量場(chǎng)景”的芯片，也適用于一些“性能優(yōu)先”的開發(fā)項(xiàng)目。

　　發(fā)展Chiplet的挑戰(zhàn)

　　Chiplet模式的發(fā)展核心在于構(gòu)建一個(gè)豐富的模塊芯片庫，使它們可以被自由選擇，通過先進(jìn)封裝技術(shù)集成為復(fù)雜的異構(gòu)系統(tǒng)。其發(fā)展目前主要面臨四方面挑戰(zhàn)。

　　互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)。首先，設(shè)計(jì)這樣一個(gè)異構(gòu)集成系統(tǒng)需要統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，即die-to-die數(shù)據(jù)互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)。為此，英特爾首先提出了高級(jí)接口總線（Advanced Interface Bus，AIB）標(biāo)準(zhǔn)。在DARPA的CHIPS項(xiàng)目中，英特爾將AIB標(biāo)準(zhǔn)開放給項(xiàng)目中的企業(yè)使用。AIB是一種時(shí)鐘轉(zhuǎn)發(fā)并行數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，類似于DDR DRAM接口。目前，英特爾免費(fèi)提供AIB接口許可，以支持廣泛的Chiplet生態(tài)系統(tǒng)，包括設(shè)計(jì)方法或服務(wù)供應(yīng)商、代工廠、封裝廠和系統(tǒng)供應(yīng)商。此舉將加速AIB標(biāo)準(zhǔn)的快速普及，有望在未來成為類似ARM的AMBA總線的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)。

　　圖5. 使用AIB標(biāo)準(zhǔn)的SiP芯片

　　圖片來源：英特爾

　　封裝技術(shù)。將多個(gè)模塊芯片集成在一個(gè)SiP中需要高密度的內(nèi)部互連線。可能的方案有硅interposers技術(shù)、硅橋技術(shù)和高密度Fan-Out技術(shù)，不論采取那種技術(shù)，互連線（微凸）尺寸都將變得更小，這要求互連線做到100%的無缺陷。因?yàn)榛ヂ?lián)缺陷可能導(dǎo)致整個(gè)SiP芯片不工作。

　　圖6. 用于TSV互聯(lián)的銅微凸點(diǎn)（micro bumps）顯微圖

　　圖片來源：3DInCites

　　測(cè)試技術(shù)。作為一個(gè)復(fù)雜的異構(gòu)集成系統(tǒng)，保證SiPs芯片功能正常比SoC更困難。SoC芯片通常需要采購IP，而目前關(guān)于IP的重用方法中，IP的測(cè)試和驗(yàn)證已經(jīng)很成熟，可以保證IP接入系統(tǒng)沒有問題。采用Chiplet模式的SiPs芯片則不同，它采購或使用的是制造好的die，即模塊芯片。這對(duì)單個(gè)die的良率要求非常高，因?yàn)樵赟iPs中一個(gè)die的功能影響了整體性能，一旦出了問題損失巨大。同時(shí)在die設(shè)計(jì)中還需要植入滿足SiPs芯片的測(cè)試協(xié)議。而對(duì)于SiPs芯片，由于管腳有限，如何單獨(dú)測(cè)試每個(gè)die的性能和整體SiP的性能也是一個(gè)難點(diǎn)。

　　開發(fā)工具。上面提到的三個(gè)技術(shù)挑戰(zhàn)，都需要軟件工具的支持，對(duì)于EDA工具帶來巨大的需求。例如在芯片設(shè)計(jì)中，30%-40%的成本是工具軟件。DARPA的 CHIPS項(xiàng)目中一個(gè)工作重點(diǎn)就是設(shè)計(jì)工具。Chiplet技術(shù)需要EDA工具從架構(gòu)探索，到芯片實(shí)現(xiàn)，甚至到物理設(shè)計(jì)提供全面支持。

　　產(chǎn)業(yè)機(jī)遇：Chiplet系統(tǒng)集成和模塊芯片設(shè)計(jì)

　　從上面Chiplet模式發(fā)展的挑戰(zhàn)看，產(chǎn)業(yè)機(jī)遇集中在芯片制造技術(shù)、封裝測(cè)試技術(shù)和EDA工具技術(shù)。這些都是制造積木的手段，而設(shè)計(jì)什么樣的積木和積木組合則有更加巨大的市場(chǎng)空間，即Chiplet系統(tǒng)集成和模塊芯片設(shè)計(jì)。

　　產(chǎn)業(yè)發(fā)展早期，技術(shù)突破有望催生新增長(zhǎng)點(diǎn)。如前文提到的封裝與測(cè)試技術(shù)、EDA工具和互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)都沒有完善。此時(shí)以英特爾為代表的IDM企業(yè)有較大優(yōu)勢(shì)。IDM廠產(chǎn)業(yè)鏈完整的，研發(fā)投入大，可以集中突破封測(cè)技術(shù)和芯片設(shè)計(jì)。在DARPA的CHIPS項(xiàng)目中，也集中發(fā)展了EDA工具和集成標(biāo)準(zhǔn)，這無疑將加速產(chǎn)業(yè)成熟。

　　系統(tǒng)集成的市場(chǎng)空間更大。基于Chiplet模式的芯片在技術(shù)上優(yōu)勢(shì)明顯，架構(gòu)設(shè)計(jì)靈活，設(shè)計(jì)周期短，設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)低，芯片集成度高，加工成本低。SoC芯片廠商有動(dòng)力切入Chiplet芯片系統(tǒng)集成。此外，目前越來越多的制造業(yè)企業(yè)在自研芯片。Chiplet模式適用于小批量生產(chǎn)，開發(fā)成本低，研制周期短。對(duì)于新進(jìn)入者，尤其是配套自用的企業(yè)，這無疑具有很大的吸引力。

　　垂直領(lǐng)域，模塊芯片設(shè)計(jì)與系統(tǒng)集成可協(xié)同發(fā)展。隨著垂直領(lǐng)域智能化需求的持續(xù)增加，針對(duì)某項(xiàng)應(yīng)用的專用芯片與高性能邏輯芯片、存儲(chǔ)芯片協(xié)同工作成為主流，這是Chiplet模式發(fā)展的基礎(chǔ)。因而，傳統(tǒng)專攻垂直領(lǐng)域計(jì)算芯片廠商轉(zhuǎn)行開發(fā)Chiplet芯片有著巨大優(yōu)勢(shì)。

　　AI芯片適用于Chiplet模式。在現(xiàn)有算法框架下，AI芯片就是一類專用芯片，在Chiplet模式下，與邏輯、存儲(chǔ)芯片共存是非常適于AI芯片的工作方式。例如目前新興的存內(nèi)計(jì)算和光子計(jì)算（模擬計(jì)算方案），這些芯片的制備通常在較低的工藝節(jié)點(diǎn)上，與提倡高集成度的邏輯和存儲(chǔ)芯片集成成為難點(diǎn)，采用Chiplet模式則對(duì)工藝節(jié)點(diǎn)則沒有要求。

　　頭部企業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

　　目前，Chiplet模式還處于發(fā)展早期，主要圍繞DARPA的CHIPS項(xiàng)目發(fā)展。在CHIPS項(xiàng)目中，有制造封測(cè)企業(yè)如英特爾、Northrop、Micorss等，還有模塊芯片開發(fā)企業(yè)和高校如Ferric、Jariet、鎂光、Synopsys和密西根大學(xué)，以及EDA工具開發(fā)企業(yè)和高校如Candence和佐治亞理工。

　　下面，我們介紹IDM大廠英特爾和一家中資企業(yè)極戈科技的發(fā)展。前者有先進(jìn)的封裝技術(shù)和集成標(biāo)準(zhǔn)，后者采用Chiplet模式極大地縮短了物聯(lián)網(wǎng)芯片的研發(fā)周期。

　　01. IDM廠：Intel，3D封裝技術(shù)和AIB集成標(biāo)準(zhǔn)

　　英特爾是國際芯片設(shè)計(jì)、制造和封測(cè)的領(lǐng)先企業(yè)，擁有完整的產(chǎn)業(yè)鏈和超高的研發(fā)實(shí)力。它們將Chiplet模式當(dāng)作延續(xù)摩爾定律的首要手段。2018年12月，英特爾推出了業(yè)界首個(gè)3D邏輯芯片集成技術(shù)——Foveros。

　　圖7. 英特爾的2D和3D封裝技術(shù)使芯片設(shè)計(jì)更靈活

　　圖片來源：英特爾

　　該技術(shù)整合了其早前提出的2D封裝技術(shù)——嵌入式多裸晶互聯(lián)橋，可以將多個(gè)IP的模塊芯片靈活組合。例如I/O、SRAM等電路對(duì)先進(jìn)制程沒有要求，可以用低制程加工在基礎(chǔ)芯片上。而邏輯芯片、GPU等邏輯電路，先進(jìn)制程可以提供更好的性能和更低的功耗，可以加工成模塊芯片，堆疊在基礎(chǔ)芯片上。

　　圖8. 英特爾 3D封裝技術(shù)示意圖

　　圖片來源：英特爾

　　Foveros結(jié)合EMIB可以滿足各種不同應(yīng)用、功率范圍和外形尺寸的需求，提供低成本、高性能芯片選擇。英特爾預(yù)計(jì)將于2019年下半年推出一系列采用Foveros技術(shù)的產(chǎn)品。首款Foveros產(chǎn)品將整合高性能10nm模塊芯片和低功耗的22nm基礎(chǔ)晶片。

　　英特爾還是DARPA CHIPS項(xiàng)目的主要參與者之一，其免費(fèi)提供AIB接口許可，這將有利于催生更多的Chiplet和系統(tǒng)集成企業(yè)。

　　02.系統(tǒng)集成企業(yè)：極戈科技

　　極戈科技（zGlue）2014年成立于美國硅谷，2017年進(jìn)入中國。創(chuàng)始人張銘畢業(yè)于北京大學(xué)，在UIUC獲得碩士與博士學(xué)位。曾在英特爾和三星工作。

　　極戈科技主打快速芯片設(shè)計(jì)和制造，通過獨(dú)特的電路設(shè)計(jì)+封裝+ SDK+算法，能夠?qū)⑽锫?lián)網(wǎng)芯片的設(shè)計(jì)制造流程從超過1年壓縮到2-4周。

　　極戈科技利用SaaS的模式提供芯片設(shè)計(jì)方案，也采用2.5D/3D封裝技術(shù)?；A(chǔ)芯片是極戈開發(fā)的硅基芯片，上層是第三方的模塊芯片，包括傳感器、通訊、存儲(chǔ)等，從而低成本、高速度地實(shí)現(xiàn)小體積，低功耗的系統(tǒng)集成。

　　圖9. 來自極戈的ZiP芯片

　　圖片來源：極戈科技

　　目前，極戈的產(chǎn)品主要用于藍(lán)牙、NB-IoT、WiFi和可穿戴產(chǎn)品中，有超過100款模塊化芯片產(chǎn)品可供選擇。

　　2019年1月底，極戈科技攜手臺(tái)積電和日月光，推出業(yè)界首個(gè)3D IC定制服務(wù)——快速制造項(xiàng)目。據(jù)稱，該計(jì)劃可以將一年的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)時(shí)間縮短到一個(gè)月，把幾百萬美元的開發(fā)成本降低至幾千美元。

　　圖10. 極戈科技的ZiP集成平臺(tái)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

　　圖片來源：極戈科技

　　結(jié)語

　　Chiplet模式的發(fā)展還有很長(zhǎng)的路要走，它既是一次技術(shù)升級(jí)，包括封裝測(cè)試技術(shù)、EDA工具、芯片架構(gòu)設(shè)計(jì)等，也可能帶來一次對(duì)傳統(tǒng)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈的重構(gòu)。我們有理由相信，隨著越來越多的企業(yè)進(jìn)入，Chiplet系統(tǒng)集成和模塊芯片設(shè)計(jì)行業(yè)將會(huì)得到快速發(fā)展，受益于時(shí)間和成本，AI、AIoT等智能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展進(jìn)程也將加速。