關(guān)于 Chiplets（俗稱小芯片，也就是將不同制程工藝的裸片 die 封裝在一起，組成一個系統(tǒng)級大芯片）的發(fā)展前景，最近，有機構(gòu)給出了一份非常樂觀的預測報告。

據(jù) http://Market.us 統(tǒng)計和預測，2023 年，Chiplets 市場規(guī)模為 31 億美元，2024 年將達到 44 億美元，到 2033 年，將增長到 1070 億美元，2024~2033 年的復合年增長率（CAGR）將達到 42.5%。

2023 年，高性能 CPU 占據(jù) Chiplets 市場的主導地位，份額達到 41%。在高性能計算（HPC）應用領(lǐng)域，模塊化的 CPU 設(shè)計提供了更高效的處理能力，CPU Chiplets 與其它類型 Chiplets（如 GPU 和內(nèi)存）集成的靈活性也推動著它們的普及。

GPU Chiplets 也越來越受歡迎，尤其是在高端游戲、人工智能和機器學習應用中；內(nèi)存 Chiplets 也至關(guān)重要，特別是在需要大型快速內(nèi)存池的應用中，例如大數(shù)據(jù)分析和云計算。

2023 年，由于智能手機、筆記本電腦和可穿戴設(shè)備的進步，消費類電子產(chǎn)品以超過 26% 的份額主導著 Chiplets 應用市場；IT 和電信服務(wù)應用占比在 24% 左右，這主要得益于數(shù)據(jù)中心的高性能計算需求增長。

2023 年，亞太地區(qū)成為 Chiplets 的主導力量，占據(jù)了 31% 的市場份額，這主要得益于該地區(qū)先進的半導體制造能力和快速的技術(shù)進步。

為何如此看好 Chiplets 市場？

用 10 年時間，從 31 億美元增長到 1070 億美元的市場規(guī)模，這樣的增長速度是很快的。那么，業(yè)界和機構(gòu)為何如此看好 Chiplets 的發(fā)展前景呢？原因是多方面的。

首先，從芯片設(shè)計和制造兩方面看一下 Chiplets 能夠提供的益處。

Chiplets 的迷人之處在于它的用途是多樣化的，關(guān)于這方面的情況，AMD 和英特爾經(jīng)常談及，采用 Chiplets 設(shè)計，可以更容易地為 HPC 應用市場和客戶提供定制化解決方案。增加或減少處理器核心數(shù)量，或者將一個 die 換成另一個更合適的 die 非常簡單。例如，AMD 的服務(wù)器 CPU 不僅比臺式機型號擁有更多的 CPU Chiplets，還具有更大更好的 I/O 接口。AMD 還通過其 3D V-Cache 方案為處理器添加功能組件，從而為買家提供更多選擇。英特爾則表示，可以跨代重復使用 Chiplets，這是英特爾非?？粗氐膬?yōu)勢。

處理器在制造過程中會有缺陷，而且，芯片越大，就越容易出現(xiàn)缺陷，從而降低產(chǎn)量。而較小的芯片則不容易出現(xiàn)缺陷，因此，采用 Chiplets 方案，可以將傳統(tǒng) SoC 大芯片分化成多個小的 die，然后用先進封裝組合在一起，這樣，可以在很大程度上節(jié)省制造成本。在具有高缺陷率的先進制程工藝節(jié)點（5nm，3nm 等）上，這種效果更為明顯。

要實現(xiàn) 1070 億美元的市場規(guī)模，只有以上提到的設(shè)計和制造優(yōu)勢是不夠的，Chiplets 還必須在未來這些年充分發(fā)揮其多方面的優(yōu)勢，包括：要允許在單個芯片上集成更多種類的微架構(gòu) die，其復雜程度會越來越高；充分發(fā)揮供應鏈靈活性，Chiplets 的模塊化特性為供應鏈提供了更大的靈活性，應用廠商可以從不同的供應商采購不同的組件，從而減少對單一來源的依賴。

要想將 Chiplets 推向更高水平，需要產(chǎn)業(yè)鏈涉及的企業(yè)通力合作，該市場包括 Chiplets 提供商，系統(tǒng)集成商，以及參與設(shè)計和制造的公司。

AMD 是將 Chiplets 成功商業(yè)化的先驅(qū)。該公司在 2017 年采用多芯片模塊設(shè)計，推出了以 Zen 架構(gòu)為主的 Chiplets 處理器，其中，高端型號使用多個 CPU die 來增加內(nèi)核數(shù)量，而不是通過單個更大的芯片實現(xiàn)。在 2019 年的 Zen 2 架構(gòu)產(chǎn)品中，AMD 將其 CPU 一分為二，一個是 CPU 內(nèi)核 Chiplets，另一個是 PCIe 接口和 RAM 連接器 Chiplets。之后這些年，該公司不斷更新相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)品，使得產(chǎn)品性能和市場影響力越辣越強。

AMD 取得成功后，英特爾一直在努力開拓自家的 Chiplets 技術(shù)和市場空間，該公司稱之為 tiles，名字雖然不同，但意思是一樣的，也是 Chiplets。

除了 AMD 和英特爾，富士通（Fujitsu）和博通（Broadcom）等公司也在開拓 Chiplets 應用市場，進行相關(guān)處理器的研發(fā)和制造工作。另外，蘋果（M1-Ultra CPU），以及中國的寒武紀（思遠 370 系列 ASIC），壁仞科技（BR100 系列 GPU）也推出了自家的 Chiplets 產(chǎn)品。不過，AMD 和英特爾是迄今為止唯二兩家批量生產(chǎn) Chiplets 處理器的公司。

Chiplets 必須有先進封裝技術(shù)的支持才行，目前，行業(yè)主要采用以下幾種封裝技術(shù)來實現(xiàn)：MCM（Multi-Chip Module），CoWoS（Chip-on-Wafer-on-Substrate），EMIB（Embedded Multi-die Interconnect Bridge）。

MCM 是指通過 Substrate (封裝基板) 走線將多個芯片互聯(lián)的技術(shù)；CoWoS 是由臺積電主導的、基于 interposer (中間介質(zhì)層) 實現(xiàn)的 2.5D 封裝技術(shù)，其中，interposer 采用成熟制程工藝，可以提供比 MCM 更高密度和更大速率的接口。目前，主流的 CoWoS 技術(shù)包括 CoWoS-S、CoWoS-R 和 CoWoS-L；EMIB 是由英特爾主導的 2.5D 封裝技術(shù)，使用多個嵌入式橋接芯片 (Silicon Bridge) 實現(xiàn)芯粒間的高速互聯(lián)。

Chiplets 并不是萬能的

雖然 Chiplets 很火熱，但要實現(xiàn)全行業(yè)的大規(guī)模量產(chǎn)還需要時間。此外，die 的良率、封裝良率、各種成本等，是采用該種方案的關(guān)鍵考量因素。只有在良率和成本等方面明顯優(yōu)于傳統(tǒng) SoC 方案時，才有采用 Chiplets 方案的必要，反之，還是老老實實地采用傳統(tǒng)芯片設(shè)計和制造方案為好。

是否用 Chiplets 方案，關(guān)鍵考量因素是成本。下面，我們用清華大學馬愷聲老師所著的《算一算 Chiplet 的成本！》一文所舉的例子加以說明。

下面這這幅圖中的 9 個柱狀圖，都是 RE Cost（recurring engineering cost，不考慮一次性投入，生產(chǎn)一個芯片的成本），橫向分別是 14nm，7nm，5nm 制程，縱向是封裝到一起的 Chiplets 數(shù)量。

如果整個芯片面積在 200 平方毫米以下，則沒有必要用 Chiplets，真正有價值的是在 800 平方毫米以上的大芯片，因為成本上是劃算的。此外，先進封裝需要大量測試，而且，最先進的封裝都非常昂貴，甚至數(shù)倍于晶圓加工成本。未來，隨著封裝技術(shù)不斷成熟和成本的下降，Chiplets 有望拓展出更多應用空間。目前，MCM 和 InFO 封裝成本相對較低，更劃算。

在 800 平方毫米的大芯片中，晶圓缺陷導致的額外成本占總制造成本的 50% 以上，對于相對成熟的制程工藝（14nm），盡管產(chǎn)量的提高也節(jié)省了 35% 左右的成本，但考慮到封裝開銷（MCM>25%，2.5D>50%) 及其它成本，Chiplets 的成本優(yōu)勢被減弱了。因此，制程工藝越先進（如 5nm、3nm），且采用的先進制程 die 越多，就越適合采用 Chiplets 方案，此時的成本優(yōu)勢非常明顯。

一次性投入的成本也很重要，特別是對于沒有大規(guī)模量產(chǎn)的產(chǎn)品。做先進制程工藝的 die，需要投入的一次性成本是很高的，如流片時掩膜板的成本，因此，Chiplets 方案需要的一次性總投入很高（50 萬產(chǎn)量時占到總成本的 36%)。對于 5nm 制程系統(tǒng)，當產(chǎn)量達到 2000 萬時，采用 Chiplets 方案才劃算。有一點需要注意，那就是一次性投入成本可以隨著 Chiplets 的復用，獲得很大收益。

綜合考慮成本、性能等多方面因素，Chiplets 最大的應用場景是需要采用異質(zhì)集成的應用，例如將 CPU、GPU 與 DRAM 集成，以克服存儲墻；其次是體積嚴重受限的應用，例如在手機中，通過 Chiplets 將多個 die 集成在一起，以減小體積；再有，就是使用環(huán)境惡劣的場景，例如汽車、工業(yè)控制、物聯(lián)網(wǎng)等。

存在的挑戰(zhàn)

要想發(fā)展到 1070 億美元的市場規(guī)模，并不會一帆風順，這一過程中，Chiplets 會遇到諸多挑戰(zhàn)。其中，標準化和互操作性是最大挑戰(zhàn)，Chiplets 市場的增長在一定程度上受到不同制造商組件之間標準化和互操作性需求的影響，因此，建立全行業(yè)標準對于 Chiplets 的廣泛采用至關(guān)重要。

目前，各大芯片廠商在 Chiplets 接口的互聯(lián)協(xié)議上各自為戰(zhàn)，每家公司選擇不同的技術(shù)線路和標準，往往是基于公司過往的技術(shù)積累，并不能通用，碎片化、定制化的接口標準對于 Chiplets 行業(yè)發(fā)展極為不利。為了解決這一難題，2022 年 3 月，英特爾、AMD、臺積電、微軟、Arm 等十大行業(yè)巨頭宣布成立 UCIe 聯(lián)盟。

今后，很可能會出現(xiàn)一種新的商業(yè)模式，即通過集成標準 Chiplets 來構(gòu)建專用芯片，這也是一些國際大廠打造 Chiplets 標準的原因。通過標準的設(shè)立，可以把自家生產(chǎn)的芯片變成 Chiplets 企業(yè)使用的標準產(chǎn)品，集成到各種應用設(shè)備中。

除了標準和互操作性，Chiplets 還面臨著芯片設(shè)計和驗證工具更新，以及先進封裝技術(shù)升級的挑戰(zhàn)。

從設(shè)計的角度來看，Chiplets 系統(tǒng)在復雜度提升的同時，成品率反而在下降，而且，Chiplets 的性能最終取決于性能最高的那個。這對設(shè)計和驗證提出了新的要求，由于 Chiplets 間的堆疊和互聯(lián)，設(shè)計時不僅要考慮不同的制程工藝、不同架構(gòu)的集成，還要加入高速互聯(lián)總線和各類接口，相比于傳統(tǒng)大芯片設(shè)計，Chiplets 方案對 EDA 軟件的要求明顯不同，目前，全球三大 EDA 軟件廠商已經(jīng)在布局對應的平臺，相關(guān)的技術(shù)融合和行業(yè)并購正在或即將進行。

傳統(tǒng)封裝一般通過線路焊接的方式進行，為保證 Chiplets 之間更快的互聯(lián)速度，會采用 2.5D/3D 等無需線路焊接的先進封裝方式；從 2D、2.5D 到 3D，可以理解為平面上建高樓，樓建的越高，住的人也越多，能裝下的晶體管也更多。封裝技術(shù)的發(fā)展也要跟上市場需求，否則，Chiplets 的價值會大打折扣。

中國要大力發(fā)展 Chiplets 嗎？

中國也在積極發(fā)展 Chiplets，為此，中國 Chiplets 聯(lián)盟推出了相應的互連接口標準 ACC 1.0（Advanced Cost-driven Chiplet Interface 1.0），它由一批專門從事芯片設(shè)計，IP，以及封裝、測試和組裝服務(wù)的公司開發(fā)。該組織強調(diào)，中國產(chǎn)業(yè)鏈上的供應商需要合作，以建立一個完整的 Chiplets 生態(tài)系統(tǒng)。

對于發(fā)展 Chiplets，中國也需要理性對待，不能一哄而上，因為它的應用是有前提的，如前文所述，Chiplets 并不是萬能的，它更適合以先進制程（5nm 及以下）為主導的芯片產(chǎn)品，就目前而言，中國大陸在這方面還比較弱。

對于發(fā)展本土 Chiplets 技術(shù)和產(chǎn)品，清華大學教授魏少軍認為，要從應用的角度去考慮如何采用第三方 Chiplets 來實現(xiàn)集成，重點是 Chiplets 的集成而不是設(shè)計，采用業(yè)界成熟的標準成為必然。是否要制定中國自己的標準，取決于產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需求，更取決于自身產(chǎn)業(yè)發(fā)展的水平，魏少軍直言，超出產(chǎn)業(yè)發(fā)展的實際情況制定標準，通常會落入「為了標準而標準」的陷阱。

魏少軍表示，中國集成電路產(chǎn)業(yè)總體上還處在追趕階段，Chiplets 的出現(xiàn)并不能帶來這一態(tài)勢的根本改變。我們用到的 Chiplets 和相應的 EDA 工具依然要依賴國外廠商，更為悲觀的看法是 Chiplets 的出現(xiàn)會使中國企業(yè)在價值鏈上的位置進一步下移，這樣，過去 20 年在芯片設(shè)計上的積累會被削弱。不過，魏少軍也指出，中國企業(yè)也可以在 Chiplets 領(lǐng)域有所作為，例如，可以借助 Chiplets 更快地發(fā)展應用，能促使中國企業(yè)向標準 Chiplets 方向轉(zhuǎn)型。