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，從而構成一體化的芯片網(wǎng)絡。

    Chiplets的概念其實已存在了幾年，隨著高級互聯(lián)和封裝技術的日趨成熟，人們對它的關注越來越多。Chiplets可以被理解成是經(jīng)過設計和制造工藝優(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)”的摩爾定律預言：當價格不變時，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。

    當年摩爾定律的出現(xiàn)設定了極為關鍵的技術發(fā)展節(jié)奏基準，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)濟價值。

    使用先進節(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)點越進化，微縮成本越高，能扛住經(jīng)濟負擔的設計公司越來越少。

    根據(jù)公開報道，28nm節(jié)點設計成本約為5000萬美元，而到5nm節(jié)點，設計總成本已經(jīng)飆高到逾5億美元，相當于逾35億人民幣。

    而守住摩爾定律，關乎利潤最大化，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)濟負擔。

    幸運的是，每當摩爾定律被唱衰將走到盡頭，總會激發(fā)出科學家和工程師們創(chuàng)新構想，提出力挽狂瀾的突破性技術，將看似走向終結的摩爾定律一再推向遠方。

    基于小芯片的模塊化設計，正是其中解決成本問題的一個極為關鍵的構想。

    小芯片的三大價值：開發(fā)快、成本低、功能多

    當前芯片設計模式常從不同IP供應商購買軟核IP或硬核IP，再結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。

    而小芯片通過先進封裝技術，能將多種不同架構、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，設計者可在特定設計部分選用最先進的技術，在其他部分選用更成熟、廉價的技術，從而節(jié)省整體成本。

    例如，AMD第二代EPYC服務器處理器Ryzen采用小芯片設計，將更先進的臺積電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展性。例如構建了一個基本die后，可能只用一個die可應用于筆記本電腦，兩個可應用于臺式機，四個可應用于服務器；另一方面，小芯片可以充當異構處理器，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和可編程邏輯設備（PLD）等更先進和高度集成的半導體設備采用。

    根據(jù)研究機構統(tǒng)計，微處理器是小芯片最大的細分市場，支持小芯片的微處理器市場份額預計從2018年的4．52億美元增長到2024年的24億美元。同時，計算領域?qū)⒊蔀樾⌒酒闹饕獞檬袌?，今年有望占?jù)小芯片總收入的96％。

    市場預測

    據(jù)市場研究認為，“小芯片”正被更高級和高度集成的半導體設備采用。例如，微處理器（MPU），片上系統(tǒng)（SOC）設備，圖形處理單元（GPU）和可編程邏輯設備（PLD），尤其MPU是最受歡迎的。即使僅計算依靠MPU 這個細分市場的“小芯片”市場，到2024年也能達到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)相關人士分析說： “從軟件開發(fā)人員到系統(tǒng)設計師，再到技術投資者，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，半導體業(yè)務和依賴小芯片的業(yè)務現(xiàn)在有機會回到慣常的發(fā)展速度，這種速度為整個科技行業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟價值?！?/p>