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Chiplet,半导体能否实现弯道超车?

11/06 08:23 作者:安富利
阅读需 8 分钟
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摩尔定律半导体圈广为人知的一条定律。在很多年前,它似是一条“铁律”指引着社会走向科技文明。然而近几年无论是前沿技术的快速创新需求,还是制造工艺无限逼近临点的物理限制,都仿佛在预示着摩尔定律即将走向终结。

尽管人们尝试了增加更多的核心、驱动芯片内部的线程,又或是利用加速器等各种手段来跟上摩尔定律的步伐,但似乎还是无法规避它的衰败。于是Chiplet(芯粒)便在人们的希冀目光之下闪亮登场,为摩尔定律唱衰提供了新论调。

据相关消息称,为了加快Chiplet的安全化与可行性,欧洲正在加速推动Chiplet新标准。近期德国乃至欧洲最大的应用科学研究机构——弗劳恩霍夫协会启动一项名为“新型可信赖电子产品分布式制造”的研究项目,旨在为Chiplet产品的设计与封装创建安全性标准。

究竟什么是Chiplet?它又有什么独特魔力能让欧洲为之大费周章创建新标准呢?

Chiplet概念源于Marvell创始人周秀文博士在ISSCC 2015上提出的Mochi(Modular Chip,模块化芯片)架构,经过几年的发展,Chiplet的概念逐渐成熟,它被解释为一种功能电路块,也被称“小芯片”或“芯粒”。按工作原理来说,该技术能将一个功能丰富且面积较大的芯片裸片(die)拆分成多个芯粒并使预先生产好的芯粒组合在一起,再通过先进封装的形式(比如3D封装)集成封装在一起,从而组成一个性能更加先进的系统芯片。

作为拥有光明未来的跨时代技术,Chiplet包含着三大显著优势:

1、大幅度提升成品芯片的良品率

在整个芯片晶体管数量暴涨的背景下,Chiplet设计可将超大型的芯片按照不同的功能模块来切割成独立的小芯片后再进行分开制造,这种方式既能有效改善良品率,也能够有效降低成本。

2、降低芯片设计的复杂程度和设计成本

在芯片设计阶段,将大规模的SoC按照不同的功能模块分解成一个个的芯粒,部分芯粒可以做到类似模块化的设计,可以重复运用以大幅度降低芯片的设计难度和设计成本,有利于后续产品的迭代,加速产品的上市周期。

3、降低芯片的制造成本

将SoC进行Chiplet化之后,不同的芯粒可根据需要来选择合适的工艺制程进行独立制造,再通过先进封装技术进行组装。

凭借着上述优势,有望延续摩尔定律经济效益的Chiplet已被公认为后摩尔时代半导体产业的最优解集之一。在此趋势下,众多芯片巨头纷纷入局Chiplet市场,在产业链上下游企业的共同推进下,Chiplet已经加速进入商业应用。从某角度上来看,AMD使用Chiplet概念也许是目前最成功的案例。2017年,AMD推出了其初代Epyc服务器处理器Naples,在单个封装中具有4个同类的CPU;到2019年AMD又推出了第二代EPYC处理器Rome,其使用了8块CPU芯片,这些芯片使用的是14nm工艺,而内部封装的CPU Chiplet使用7nm晶体管来提高速度和效率,其处理器性能是当时英特尔同类产品的两倍以上。借由Chiplet的优势,今年2季度AMD的CPU市占率已达到31.4%(往年同期为25.3%)。

除了AMD之外,英特尔、三星等多家公司都相继创建自身的Chiplet生态系统并获得了巨大的产品价值和收益。2022年3月,苹果自研的M1 Ultra将Chiplet再次推上风口浪尖,采用Chiplet设计的M1芯片大获成功,革新了个人电脑产业。

为了推进Chiplet在行业中的应用,AMD、Google云、ARM、微软、Meta、高通等行业巨头于今年3月共同成立了行业联盟,正式推出通用Chiplet的标准规范“UCIe”,而后联盟成员不断扩大。截至目前,UCIe联盟已经吸纳了12家行业巨头,并成立了6个工作组,旨在打造更全面的Chiplet生态系统。

诚然,Chiplet拥有着广阔的市场应用前景,但也给人们提出了新的技术难题,如何让多个芯粒互联起来并最终异构集成成为一个大芯片是行业目前亟待解决的问题,这个问题主要体现在以下两个方面。

1、互联

如何让芯粒之间高速无缝互联,是Chiplet技术落地的关键。芯片设计公司在设计芯粒之间的互联接口时,需要保证高数据吞吐量,且要保障低数据延迟和低误码率,同时也需考虑能效与连接距离。

2、封装

如何把多个Chiplet有效封装起来,且能在最大程度上解决散热问题是至关重要的。热量的来源主要有以下三个地方,一是封装体内总热功耗提升;二是芯片采用2.5D/3D堆叠,增加了垂直路径热阻;三是更复杂的SiP在跨尺度与多物理场情况下热管理设计更加复杂。

随着摩尔定律带来的经济效应越来越低,Chiplet技术将成为未来芯片开发的主流方向,Chiplet市场前景一片大好。根据研究机构Omdia的报告显示,2024年采用Chiplet的处理器芯片的全球市场规模将达58亿美元,到2035年将达到570亿美元。

不可否认,芯片在一定程度上担任着人类科技的“拓荒者”,带领着人类一步一步丈量高科技山峰,而如今Chiplet有望赋予芯片更加旺盛强大的生命力,让人类能够继续依靠不断“进化”的芯片来获得探索科技的更多机会。而Chiplet能推动科技发展到什么程度我们还不得而知,就让时间给我们答案吧。

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