小芯片（chiplet）是一種制造系統(tǒng)的方法，這個系統(tǒng)實際上由幾個較小的小芯片集成，但是從其封裝外部看起來就好像所有功能單元都在一顆芯片上一樣。小芯片被業(yè)界廣泛視為可以保持計算行業(yè)系統(tǒng)性能繼續(xù)提升的一種重要舉措。
“小芯片”是什么？
基于Chiplets的系統(tǒng)，簡單來說就是未來的電腦系統(tǒng)不再需要各種各樣單獨的芯片，比如CPU／GPU以及各種芯片控制單元（MCU）。我們只需要一個CPU芯片（Chiplets）和幾個GPU，將這些GPU都連接到大硅片承載的Chiplets芯片上，從而構(gòu)成一體化的芯片網(wǎng)絡(luò)。
Chiplets的概念其實已存在了幾年，隨著高級互聯(lián)和封裝技術(shù)的日趨成熟，人們對它的關(guān)注越來越多。Chiplets可以被理解成是經(jīng)過設(shè)計和制造工藝優(yōu)化的專用硅塊或IP塊，這使得它們可以被設(shè)計得盡可能小，從而增加其產(chǎn)量并最小化成本。
畢竟，現(xiàn)在7nm工藝的芯片都已經(jīng)造價不菲，是時候找找解決辦法了。
續(xù)命摩爾定律！小芯片時代來了
55年前，被推崇為芯片界“圣經(jīng)”的摩爾定律預(yù)言：當(dāng)價格不變時，集成電路上可容納的晶體管數(shù)量每隔18－24個月會增加一倍，性能也隨之提升一倍。
當(dāng)年摩爾定律的出現(xiàn)設(shè)定了極為關(guān)鍵的技術(shù)發(fā)展節(jié)奏基準(zhǔn)，催化了科技市場欣欣向榮，為整個IT行業(yè)帶來了難以估量的經(jīng)濟(jì)價值。
使用先進(jìn)節(jié)點的好處很多，晶體管密度更大、占用空間更少、性能更高、功率更低，但挑戰(zhàn)也越來越難以克服。
極小尺寸下，芯片物理瓶頸越來越難以克服。尤其在近幾年，先進(jìn)節(jié)點走向10nm、7nm、5nm，問題就不再只是物理障礙了，節(jié)點越進(jìn)化，微縮成本越高，能扛住經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)的設(shè)計公司越來越少。
根據(jù)公開報道，28nm節(jié)點設(shè)計成本約為5000萬美元，而到5nm節(jié)點，設(shè)計總成本已經(jīng)飆高到逾5億美元，相當(dāng)于逾35億人民幣。
而守住摩爾定律，關(guān)乎利潤最大化，如果研發(fā)和生產(chǎn)成本降不下來，那么對于芯片巨頭和初創(chuàng)公司來說都將是糟糕的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。
幸運的是，每當(dāng)摩爾定律被唱衰將走到盡頭，總會激發(fā)出科學(xué)家和工程師們創(chuàng)新構(gòu)想，提出力挽狂瀾的突破性技術(shù)，將看似走向終結(jié)的摩爾定律一再推向遠(yuǎn)方。
基于小芯片的模塊化設(shè)計，正是其中解決成本問題的一個極為關(guān)鍵的構(gòu)想。
小芯片的三大價值：開發(fā)快、成本低、功能多
當(dāng)前芯片設(shè)計模式常從不同IP供應(yīng)商購買軟核IP或硬核IP，再結(jié)合自研模塊集合成一個片上系統(tǒng)（SoC），然后以某個制造工藝節(jié)點生產(chǎn)出芯片。
而小芯片通過先進(jìn)封裝技術(shù)，能將多種不同架構(gòu)、不同工藝節(jié)點、甚至來自不同代工廠的專用硅塊或IP塊集成在一起，可以跳過流片，快速定制出一個能滿足多種功能需求的超級芯片產(chǎn)品。
相比單片芯片，小芯片帶來的好處是多重的。
首先，小芯片開發(fā)速度更快。
在服務(wù)器等計算系統(tǒng)中，電源和性能由CPU核心和緩存支配。通過將內(nèi)存與I／O接口組合到一個單片I／O芯片上，可減少內(nèi)存與I／O間的瓶頸延遲，進(jìn)而幫助提高性能。
其次，小芯片的研發(fā)成本更低。
因為小芯片是由不同的芯片模塊組合而成，設(shè)計者可在特定設(shè)計部分選用最先進(jìn)的技術(shù)，在其他部分選用更成熟、廉價的技術(shù)，從而節(jié)省整體成本。
例如，AMD第二代EPYC服務(wù)器處理器Ryzen采用小芯片設(shè)計，將更先進(jìn)的臺積電7nm工藝制造的CPU模塊與更成熟的格羅方德12／14nm工藝制造的I／O模塊組合，7nm可滿足高算力的需求，12／14nm則降低了制造成本。
這帶來的好處是，7nm制程部分的芯片面積大幅縮減，而采用更成熟制程的I／O模塊有助于整體良率的提升，進(jìn)一步降低晶圓代工成本。綜合來看，CPU核心越多，小芯片組合的成本優(yōu)勢越明顯。
最后，小芯片能靈活滿足不同功能需求。
一方面，小芯片方案具備良好的可擴(kuò)展性。例如構(gòu)建了一個基本die后，可能只用一個die可應(yīng)用于筆記本電腦，兩個可應(yīng)用于臺式機(jī)，四個可應(yīng)用于服務(wù)器；另一方面，小芯片可以充當(dāng)異構(gòu)處理器，將GPU、安全引擎、AI加速器、物聯(lián)網(wǎng)控制器等不同處理元素按任意數(shù)量組合在一起，為各類應(yīng)用需求提供更豐富的加速選擇。
隨著小芯片的優(yōu)勢逐漸顯露，它正被微處理器、SoC、GPU和可編程邏輯設(shè)備（PLD）等更先進(jìn)和高度集成的半導(dǎo)體設(shè)備采用。
根據(jù)研究機(jī)構(gòu)統(tǒng)計，微處理器是小芯片最大的細(xì)分市場，支持小芯片的微處理器市場份額預(yù)計從2018年的4．52億美元增長到2024年的24億美元。同時，計算領(lǐng)域?qū)⒊蔀樾⌒酒闹饕獞?yīng)用市場，今年有望占據(jù)小芯片總收入的96％。
市場預(yù)測
據(jù)市場研究認(rèn)為，“小芯片”正被更高級和高度集成的半導(dǎo)體設(shè)備采用。例如，微處理器（MPU），片上系統(tǒng)（SOC）設(shè)備，圖形處理單元（GPU）和可編程邏輯設(shè)備（PLD），尤其MPU是最受歡迎的。即使僅計算依靠MPU 這個細(xì)分市場的“小芯片”市場，到2024年也能達(dá)到24億美元。
“小芯片”將在未來4年內(nèi)成為集成了圖形、安全引擎、人工智能（AI）加速、低功耗物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的應(yīng)用處理器，這將是其58億美元市場的最重要因素。
據(jù)業(yè)內(nèi)相關(guān)人士分析說： “從軟件開發(fā)人員到系統(tǒng)設(shè)計師，再到技術(shù)投資者，幾十年來，每個人都依賴摩爾定律所規(guī)定的兩年時間表。隨著小芯片的到來，半導(dǎo)體業(yè)務(wù)和依賴小芯片的業(yè)務(wù)現(xiàn)在有機(jī)會回到慣常的發(fā)展速度，這種速度為整個科技行業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)價值。”