搜索量暴增6000倍，“小芯片”能突围芯片封锁？｜硅基世界

（图片来源：AMD官网）

过去一年，在摩尔定律放缓以及芯片脱钩等多个因素下，Chiplet（小芯片，又称“芯粒”）技术被认为是提升算力密度的关键路径，成为了中国半导体产业重点关注的赛道之一。

1月5日，美国、中国两家半导体企业不约而同公布基于Chiplet的先进芯片量产：

实际上，Chiplet是一种芯片“模块化”设计方案，通过2.5D/3D集成封装等技术，能够将不同工艺节点、不同功能、不同材质的芯片，如同搭积木一样集成一个更大的系统级芯片（SoC)。与传统的SoC方案相比，Chiplet模式具有设计灵活性、成本低、上市周期短等优势，非常适用于高性能计算等领域。

例如，搭配28nm、14nm等不同制程芯片，通过Chiplet等技术集成的芯片，可接近7nm芯片性能和作用，而且成本最高降低50%以上——设计一款5nm芯片的总成本接近5亿美元。而且，国产Chiplet有助于减少美国对先进技术封锁的影响。

根据钛媒体App编辑的统计，自2022年8月开始，“Chiplet”的百度中文搜索量突然猛增，周搜索指数最高增长6123倍。而在去年12月中的一周内，搜索量暴增1005倍，热度仅次于“布洛芬”、口罩和抗原等。

这意味着，最近很多人开始在中文互联网上搜索、了解Chiplet半导体技术。

“Chiplet”过去一年的中文搜索增长趋势（来源：钛媒体App/百度指数）

清华大学集成电路学院院长吴华强教授在2022年IC World大会上表示，Chiplet是延续摩尔定律的重要技术路径，对中国至关重要，是核心战略产品：是集成电路产业后摩尔时代重要技术路径；具有极高的商业价值；为没有EUV光刻机下争取战略缓冲期；可重新定义产业链。

去年12月，中国发布了首个原生Chiplet技术标准《小芯片接口总线技术要求》，被认为是AMD、台积电发起的国际UCIe标准的“中国创新版”，有超过60家企业参与，成为Chiplet行业标准的Plan B。

不过，当前Chiplet还存在很多争议和挑战。无论是国内芯片 IP（知识产权）偏少，产业上下游的支持力度差，还是芯片测试良率、互连技术、集成封装技术、供电散热等方面的技术挑战，都说明国内Chiplet产业链还不成熟，距离自主可控还有一定距离。

“国内已经具备了一定的Chiplet芯片设计能力，但是普遍基于海外的制造和集成工艺。”吴华强坦言。

那么，在加快芯片“国产替代”的大背景下，Chiplet能否将成为中国突围芯片封锁的“救星”？

争议中的“灵丹妙药”

事实上，Chiplet并不是一项新的技术名词。

早在2009年，英特尔在制造一款复杂处理器（i7 Nehalem process）时，就提到了类似Chiplet的多芯片3D集成的概念，当时这一消息还没被很多人关注到。

随后2015年ISSCC大会上，美国芯片巨头Marvell创始人周秀文提出了MoChi（模块化芯片）架构概念。同一年，美国芯片巨头AMD公司就以实现性能、功耗和成本的平衡为目标，率先将Chiplet应用于商业产品中，自此之后陆续使用HBM、Chiplet和3D Chiplet等技术研发芯片产品。

为什么要Chiplet？一个核心原因就是：摩尔定律的放缓以及先进芯片设计成本越来越高，通过Chiplet实现对算力的无止境需求。

事实上，近年来，随着高性能计算、人工智能、5G、汽车、云端等应用的蓬勃发展，要求芯片成品制造工艺持续革新以弥补摩尔定律的放缓，先进封装技术变得越来越重要，也逐渐成为芯片公司加码布局的重点。而Chiplet将SoC模块化之后，可以减少重复的设计和验证环节，提高产品的迭代速度，与更加追求效率的后摩尔时代调性相同。

Chiplet是行业技术、市场需求与经济效益协同选择的结果，近年来加速爆发主要源于三方面：1、摩尔定律呈现放缓趋势，先进制程工艺逐渐接近物理极限、成本高且产能有限；2、单芯片算力逐渐无法满足人工智能、大数据、科学计算等战略应用算力需求激增要求：3、万物智能互联时代，市场对芯片多样化、敏捷化开发需求极高。

2019年，AMD发布7nm制程的Ryzen 3000系列，其中内置基于Chiplet技术的Zen 2 内核，实现了对英特尔落后制程和性能上的超越，以较高的性价比快速分食PC处理器芯片领域的市占率。

2021年6月，AMD发布了基于3D Chiplet技术的3D V-Cache，使用台积电的3D Fabric先进封装技术，引入垂直Cache，让存储架构基于Chiplet以3D堆叠的形式与处理器封装在一起，最后概念产品中每个Ryzen 5000 Chiplet的存储架构实现接近翻倍的提升。

苹果Chiplet专利与M1 Ultra芯片

随后，科技巨头们也嗅到了Chiplet技术的商业化前景。2022年3月，苹果公司发布的自研M1 Ultra芯片，就是通过Chiplet封装方案，将两个M1 Max芯片互连，以实现更高的性能以及更经济的方案；2021年特斯拉发布的7nm Dojo Al超算模组，采用了Chiplet技术，每秒可执行1024亿次计算，性能远远高于其他芯片产品，甚至还取代日本的“富岳”成为全球最快的超级计算机。

此外，Chiplet技术类似于预制菜概念，引入了平台化设计模式。一方面，这种系统平台带来成熟解决方案，可固化成的标准组件，降低技术风险，减少重复开发；另一方面平台化设计使技术收敛，易于实现标准化，形成生态的必要系件，而且系统开发变为软件开发+定制功能实现，加速了应用开发和应用创新。

根据调研机构Omdia数据显示，到2024年，Chiplet处理器芯片的全球市场规模将达到58亿美元，较2018年增长9倍。到2035年，全球Chiplet芯片市场规模将有望扩大到570亿美元，较2024年增长近10倍。

基于Chiplet的系统芯片示意图（来源：IEEE会议）

“（Chiplet）解决7nm、5nm及以下工艺中，性能与成本的平衡，能降低较大规模芯片的设计时间和风险。”芯原股份CEO戴伟民十分看好Chiplet这项技术发展。去年一场线上会议中，戴伟民直言，Chiplet技术能使中国构建计算机和电子设备核心的中央处理器 (CPU) 和图形处理器 (GPU) 的“战略库存”。

对于中国来说，Chiplet技术的最大吸引力在于，它可以在降低成本下，实现不同工艺节点的芯片产品搭配，并通过添加或删除Chiplet，来创建具有不同功能集的不同产品。除了降低成本外，还能大大缩短研发时间，增强企业的市场竞争力。

“Chiplet技术带来系统综合性能的提升，可弥补中国EUV光刻机等关键装备不足缺陷。采用Chiplet技术，可以支撑换道发展变革性技术，为中国集成电路产业发展争取战略缓冲期。”吴华强表示，随着数字化与智能化进程加快，对算力需求紧迫，高性能计算芯片有望成为引爆Chiplet市场的核心产品。

不过，清华大学教授魏少军却认为，Chiplet处理器芯片是先进制造工艺的“补充”，而不是替代品。“其目标还是在成本可控情况下的异质集成。”

综合考虑成本、性能等多方面的因素，魏少军表示，Chiplet技术最大的应用场景，主要包括计算逻辑与DRAM（动态随机存储）集成、手机领域通过Chiplet将多颗芯粒集成以节省体积、以及汽车、工业控制、物联网等领域。

云岫资本合伙人兼首席技术官赵占祥此前在公开演讲中也指出，Chiplet不仅是先进封装，合理的架构设计才能和封装技术相得益彰。架构设计和先进封装齐头并进，才能加速Chiplet的落地与实现。每款用Chiplet技术实现的大芯片一定是两者共同作用的产物。

“盲目夸大Chiplet的作用也是不对的，只是Chiplet设计方式加上成熟工艺在某些场景下小于或等同于先进工艺的作用，Chiplet并不能替代以光刻机的演进为主要方向的传统集成电路技术路线。”中国计算机互连技术联盟CCITA郝沁汾对钛媒体App表示，只靠Chiplet并不能实现中国芯片产业的“弯道超车”。

此外，值得注意的是，因为Chiplet技术强调将模块化的芯片之间的互连，因此容易与“先进封装”概念混淆。英特尔中国研究院院长宋继强博士，在2022年12月的一场线上活动中向钛媒体App介绍了这两个概念的区分。

宋继强表示，先进封装和Chiplet的概念并不等同，先进封装是将不同的芯片很好地封装在一个更大的芯片中，是集成制造技术，而Chiplet更多则是对芯片架构或系统架构的设计理念。“多芯片封装集成中未必需要Chiplet的设计，但想要实现Chiplet，则一定需要用到先进封装。”

宋继强向钛媒体App强调，Chiplet更多是设计理念的概念。而Chiplet要实现得好，一定要用到先进封装，但先进封装里面不一定都是Chiplet的设计。

电子科技大学电子科学与工程学院教授黄乐天曾谈到，尽管Chiplet作为一种新的技术路线，确实给出了在单个裸片晶体管数量受限的情况下，保持封装后芯片产品晶体管数量持续提升的方法，但是，Chiplet绝不是解决目前国内芯片产业的“万能神药”，其局限和挑战同样很大，还会由于国内的特殊情况而导致新的挑战。

国产Chiplet背后的五大挑战

尽管争议颇多，但中国已经开始布局和重视Chiplet技术的发展，毕竟美国企业已经跑在了前面。

目前在国内，华为海思半导体是最早研究Chiplet芯片的科技公司之一。后来，包括芯片IP公司芯原股份、长电科技、通富微电、寒武纪等企业都在发力Chiplet技术。据中国证券报统计，A股中布局Chiplet的概念股有8只。

同时，寒武纪第四代Al处理器MLUarch03、壁仞科技通用GPU BR100等一批基于Chiplet技术的国产芯片都已经对外量产或测试使用。

去年12月27日，龙芯中科（688047.SH）宣布完成了一款面向服务器市场的32核CPU处理器“龙芯3D5000”的初样芯片验证。而3D5000就是通过Chiplet技术，把两个3C5000的硅片封装在一起。龙芯预计将在2023年上半年向产业链伙伴提供样片、样机。

不过，虽然上述芯片基本都是国内企业的设计、销售，但是它们依然基于海外的制造和集成工艺，IP（知识产权）也不可避免的用到了美国技术，中国Chiplet产业链国产化率较低。

仅芯片 IP 市场来看，2021年，英国Arm公司和美国Synopsys分别以40.4%、19.7%高市占率稳居全球第一、第二位置，而中国大陆仅有芯原股份以3.3%的全球市占率挤进前十名。

国产化率偏低背后原因，与制造能力和封装技术企业支持力度较弱，部分EDA工具、高性能芯粒间互联接口、测试技术等关键技术空白，以及缺少国内广泛接受的统一Chiplet标准等诸多因素有关。

吴华强表示，国内具备Chiplet的基础能力，但发展问题突出。他提到以下五点问题与挑战：

一位半导体行业人士对钛媒体App表示，由于Chiplet可以延伸出很多新的封装方案，比如台积电提出的Passive Interposer（2.5D) 以及英特尔提出的Silicon Bridges等，但这些核心技术 IP 并不会销售给中芯国际、长电科技等。因此，一旦国内芯片封装公司想要做Chiplet，就需要大量的投资做研发、做测试验证等，而下游需求订单是否真的存在，依然是一个未知数。

以国内晶圆封装“一哥”长电科技为例。2022年，该公司计划资本开支60亿元，占去年前三季度营收的四分之一左右，其中大部分都是投入包括Chiplet在内的先进封装技术。另外长电还成立了设计服务事业部，去年11月向其全资子公司增资至10亿元，主要为了获得Chiplet设计订单进行协作和服务。但截至目前，长电科技并没有公布相关客户到底有多少、Chiplet市场规模化需求是否存在等。

“Chiplet推动起来的难度主要在于中国企业普遍有技术的不自信。尽管很多企业都加入了英特尔、台积电主导的Ucle联盟，但英特尔并不能把相关技术细节进行公开，尤其中国企业只是标准的贡献者成员（contributor member）。”上述行业人士表示，很多企业在营收面前，都会对Chiplet投入保持谨慎态度。在短期商业需求没那么确定下，大家都质疑Chiplet是否可以全力去投入，还是说只能作为尝试性项目。

吴华强建议，国内需要构建Chiplet产业联盟，形成合力突围，而且要打造Chiplet标准化、产业化、产品化、生态化。

“制定高质量的国内Chiplet技术标准，统一行业接口，扩大共同的芯粒市场；补足、拉通国内产业链条，建设完善的Chiplet产业；支持新商业模式、新业态的发展，打造繁荣活跃的创新环境；以高算力芯片等关键芯片为牵引．依靠市场机制牵引技术应用，加快国内Chiplet芯片产品化；加强国内Chiplet生态建设，包括标准体系建设、产业链动调机制建设、公共技术服务平台建设、开放的IP、芯粒资源池建设、参考流程研发等。”吴华强表示。

突围芯片封锁，Chiplet中国标准成为关键因子

随着半导体战略地位的愈加重要，各国政府、产业机构也都开始关注到了Chiplet带来的技术变革，纷纷在相关政策制定中提到Chiplet的重要性：

吴华强直言，Chiplet技术的竞争是生态之争，标准是焦点，平台是竞争力的基础。

2022年3月，英特尔、台积电、三星联手芯片封测龙头日月光，携AMD、Arm、高通、谷歌、微软等科技行业巨头推出了一个全新的通用芯片互连标准：通用小芯片快连（UCle）。旨在为小芯片互连定制一个新的开放标准，简化相关流程，并提高来自不同制造商的小芯片之间的互操作性。这一标准之下，芯片制造商可以在合适的情况下混合构建芯片。

随后，芯原股份、灿芯半导体、芯来科技、芯和半导体、长电科技等诸多国内芯片厂商也纷纷宣布加入UCIe产业联盟。

“基于英特尔和台积电技术的Chiplet标准，中国企业只能作为贡献者成员，没有话语权。”吴华强在他的演讲PPT中直言不讳地指出，如果中国企业可以拉通建立自主体系，国内Chiplet技术在未来两、三年应该有爆发机会。

实际上，生态建设是一项技术革命的关键，唯有越来越多的芯片设计企业开始采用Chiplet设计的时候，才能使国内整个Chiplet生态更成熟稳定。

早在2020年8月，中科院计算所牵头成立了中国计算机互连技术联盟（CCITA），重点围绕Chiplet小芯片和微电子芯片光I/O成立了2个标准工作组，并于2021年6月在工信部中国电子工业标准化技术协会立项了《小芯片接口总线技术》《微电子芯片光互连接口技术》2项团体标准。小芯片接口标准制定，目前集结了国内产业链上下游六十多家单位共同参与研究。

2022年12月，中国首个Chiplet技术标准正式发布，这项标准描述了CPU/GPU、人工智能芯片、网络处理器和网络交换芯片等应用场景的小芯片接口总线（Chiplet）技术要求，包括总体概述、接口要求、链路层、适配层、物理层和封装要求等，以灵活应对不同的应用场景、适配不同能力的技术供应商，实现一种或者几种成本低廉、重点针对 Chiplet芯片架构、可以覆盖80%以上应用场景的先进封装手段等。

尽管作为中国小芯片标准的主要发起人和起草人，郝沁汾反复向钛媒体App强调，中国小芯片标准更偏重本土化的需求，与UCIe并不是竞争关系，而且CCITA已经在考虑和英特尔UCIe在物理层上兼容，以降低IP厂商支持多种Chiplet标准成本。

但不可否认的是，随着美国政府对中国半导体的制裁步步升级，对于中国突围先进制程芯片发展短板，Chiplet中国标准将成为国内芯片发展的关键因子，有助于推动行业围绕Chiplet技术形成更加广泛的社会分工。

不过，先进制程依然是整个半导体创新发展的基础，没有先进制程Chiplet很难有发展。中国在先进制程和先进封装两方面要齐头并进地推进。“先进制程是基础，是重中之重。如果说没有好的晶体管，没有好的die裸片，后面仅仅靠封装达不到最好的效果。”宋继强对钛媒体App表示。

北京半导体行业协会副秘书长朱晶认为，大家还是要冷静看待Chiplet。Chiplet本质上还是一个集成的技术，整体性能优秀的前提是不能有任何一个短板，同时又加了互联、散热等一系列集成上的难点，所以Chiplet技术本身又制造了更多障碍。关于先进工艺，中国不能有任何投机取巧的心理，就是沉淀下来踏踏实实的干，所有的抄近路都被堵死了，就不要再去企图找到任何捷径了，只能正面对抗。

中科院计算所研究员韩银和表示，Chiplet未来主要将用于高性能领域，5年内会形成Chiplet集成芯片，未来生态将会逐渐完善。

“中国需要形成共识，凝心聚力，抓佳历史性的发展机遇，头部产学研结构密切协作，形成统一标准规范，加速自主Chiplet技术成熟并产业化。”吴华强说。（本文首发钛媒体App，作者｜林志佳）