Chiplet：在芯片“丛林”中披荆斩棘
1月6日，在2023年美国消费电子展（CES）上，AMD带来了一款重量级产品Instinct MI300，这是AMD首款数据中心/HPC级的APU，AMD董事长兼CEO苏姿丰称其是“AMD迄今为止最大、最复杂的芯片”，共集成1460亿个晶体管，还采用了当下最火的Chiplet（小芯片）技术，在4块6纳米芯片上，堆叠了9块5纳米的计算芯片，以及8颗共128GB的HBM3显存芯片。
无独有偶，1月5日，长电科技宣布，其采用通过Chiplet异构集成技术完成的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，正在高性能计算、人工智能、5G、汽车电子等领域应用。
可以看出，经过这两年的“厚积”，Chiplet正呈“薄发”之势，国内外各大企业都在不断突破，为打造完整的全球Chiplet生态体系，争相在小芯片“丛林”中披荆斩棘。
Chiplet将成为未来之选
随着近年来高性能计算、人工智能、5G、汽车、云端等新兴市场的蓬勃发展，对于算力的需求持续攀升，仅靠单一类型的架构和处理器无法处理更复杂的海量数据，“异构”正在成为解决算力瓶颈关键技术方向。Chiplet技术被视为“异构”技术的焦点，也是当下最被企业所认可的新型技术之一。2022年3月，英特尔、台积电、三星、ARM等十家全球领先的芯片厂商共同成立了UCIe联盟，目前联盟成员已有超过80家半导体企业，将Chiplet技术的热度推顶峰，全球越来越多的企业开始研发Chiplet相关产品。据Omdia数据显示，到2024年，预计Chiplet市场规模将达58亿美元，2035年Chiplet的市场规模将超过570亿美元，增长态势十分迅猛。
最初创建UCIe联盟的十家企业
AMD很早便开始投入Chiplet技术开发， 2019年发布的7nm Zen2架构锐龙处理器中，就采用了Chiplet设计，将不同工艺、不同架构的芯片电路按需搭配，实现更加灵活的配置。AMD面向CPU与GPU互联的Infinity架构也在第四代版本中支持AMD IP和第三方小芯片的无缝集成。在GPU领域，AMD面向数据中心图形的CDNA 3架构在单个封装中结合了5nm小芯片，面向游戏的5nm GPU架构RDNA 3也融入了Chiplet设计，预计每瓦性能提升超50%。
本届CES 2023中，AMD推出的首款数据中心/HPC级的APU Instinct MI300，采用Chiplet技术，在4块6纳米芯片上，堆叠了9块5纳米的计算芯片。AMD表示，相较于上一代的Instinct MI250，提升了8倍的AI训练算力和5倍的AI能效。
其他半导体企业也将Chiplet技术作为重点发展方向。英特尔发布的Ponte Vecchio计算芯片，就是采用3D封装的Chiplet技术，在单个产品上整合了47个小芯片，综合实现了计算、存储、网络多项功能，将异构集成的技术提升至新水平。在2022世界集成电路大会上，英特尔高级副总裁、中国区董事长王锐表示，Chiplet技术将成为未来优化产业链生产效率的必然选择，该技术不但能提高芯片的制造良品率，还能匹配最合适的工艺来满足数字、模拟、射频、I/O等不同技术需求，还能将大规模的SoC按照不同的功能分解为模块化的芯粒，减少重复的设计和验证，大幅度降低设计复杂度，提高产品迭代速度，为半导体行业打开了全新的市场机遇。
而英伟达则是发布了一款数据中心专属CPU——“Grace CPU超级芯片”。该芯片由两颗CPU芯片组成，其间通过NVLink-C2C技术进行互连，NVLink-C2C技术是一种新型的高速、低延迟、芯片到芯片的互连技术，与Chiplet技术有异曲同工之妙，可支持定制裸片与GPU、CPU、DPU、NIC、SoC实现互连。英伟达CEO黄仁勋表示，与NVIDIA芯片的定制芯片集成既可以使用UCIe标准，也可以使用NVLink-C2C。
苹果则与台积电合作开发了UltraFusion封装技术，也是一种类似Chiplet的技术，能同时传输超过1万个信号，芯片间的互连带宽可达2.5TB/s，超出了UCIe 1.0的标准。苹果此前发布的M1 Ultra芯片将两个M1 Max芯片的裸片，采用UltraFusion封装技术进行互连，其CPU核心数量增加至20个，而GPU核心数量更是直接增加至64个。M1 Ultra的神经网络引擎也增加至32核，能够带来每秒22万亿次的运算能力。
国内企业不掉队
Chiplet技术也是中国半导体产业重点发展的赛道之一，我国的阿里巴巴、芯原股份、芯耀辉、芯和半导体、芯动科技、芯云凌、长芯存储、长电科技、芯来科技、通富微电等企业陆续加入UCIe芯片联盟中。
长电科技董事、首席执行长郑力在接受《中国电子报》记者采访时表示，Chiplet技术是众多厂商用来在“后道制造”工序中提升集成度的关键。在后道制程，或是集成电路成品制造这个环节中的先进制程技术，并不能改变晶圆本身的线宽线距，而是用所谓的Chiplet技术，即采用异构集成技术把多个小芯片集成在一起，并使其集成的密度更高、互联的密度更高。
使用小芯片异构集成技术形成的一颗高集成度的异构封装体(示意图)
长电科技发布的XDFOI™Chiplet高密度多维异构集成系列工艺量产是通过小芯片异构集成技术，在有机重布线堆叠中介层(RDL Stack Interposer, RSI)上，放置一颗或多颗逻辑芯片(CPU/GPU等)，以及I/O Chiplet 和/或高带宽内存芯片(HBM)等，形成一颗高集成度的异构封装体，一方面可将高密度fcBGA基板进行“瘦身”，将部分布线层转移至有机重布线堆叠中介层基板上，利用有机重布线堆叠中介层最小线宽线距2μm及多层再布线的优势，缩小芯片互连间距，实现更加高效、更为灵活的系统集成，另一方面，也可将部分SoC上互连转移到有机重布线堆叠中介层, 从而得以实现以Chiplet为基础的架构创新，而最终达到性能和成本的双重优势。
目前，长电科技XDFOI™技术可将有机重布线堆叠中介层厚度控制在50μm以内，微凸点(µBump)中心距为40μm，实现在更薄和更小单位面积内进行高密度的各种工艺集成，达到更高的集成度、更强的模块功能和更小的封装尺寸。同时，还可以在封装体背面进行金属沉积，在有效提高散热效率的同时，根据设计需要增强封装的电磁屏蔽能力，提升芯片成品良率。
郑力表示，4纳米封装技术最大的意义在于，使得未来的芯片技术的提升，不仅可以通过在前道工序中缩小芯片本身的线宽线距来达成，还可以通过在后道工序中把芯片“封”的更加精密，来实现芯片性能的提升。这对于芯片后道制作工序而言，是一种考验，但对于集成电路的异构集成技术的发展而言，则是重要的一步。这也验证了未来Chiplet技术和异构集成技术在进一步推动集成电路的高密度集成上，会起到越来越重要的作用。
芯原微电子（上海）股份有限公司董事长兼总裁戴伟民指出，Chiplet将带来新的产业机会：降低大规模芯片设计的门槛；升级为Chiplet供应商，提升IP的价值且有效降低芯片客户的设计成本；增设多芯片模块（Multi-Chip Module，MCM）业务，Chiplet迭代周期远低于ASIC，可提升晶圆厂和封装厂的产线利用率；建立新的可互操作的组件、互连、协议和软件生态系统。芯原微电子提出了IP即小芯片（IP as a Chiplet）理念，旨在以Chiplet实现特殊功能IP的“即插即用”，解决7nm、5nm及以下工艺中性能与成本的平衡，并降低较大规模芯片的设计时间和风险，从SoC中的IP到SiP中以Chiplet形式呈现的IP。
芯和半导体（上海）有限公司创始人凌峰认为，单芯片SoC微缩技术已接近极限，模块化SoC—Chiplets逐渐兴起。目前国内Chiplet还处于起步阶段，从SoC转到Chiplet，EDA企业面临着非常大的挑战。他表示，Chiplet是一个全新的概念，如果直接套用原来的EDA工具很难发挥出Chiplet的真正优势。Chiplet需要一个新的EDA平台，在架构、物理实现、分析及验证等方面都要适应Chiplet的需求，从“系统设计”到“签核”做出重构。”
国内封测龙头通富微电具备了Chiplet量产能力。通富微电指出，Chiplet技术可以在提升良率的同时，进一步降低设计成本和风险，有效提升芯片性能。在先进封装方面，公司掌握Chiplet工艺技术，具备Chiplet芯片产品的封装检测能力，已大规模生产Chiplet产品，同时可以为客户提供晶圆级和基板级Chiplet封测解决方案，并且已为AMD大规模量产Chiplet产品。
据了解，此前AMD的7nm锐龙5000正是由通富微电负责封测，而此次通富微电实现的5nm产品的工艺能力和认证，将拥有更大的市场空间。
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