近期,中國成立了自己的Chiplet(小芯片,或芯粒)聯(lián)盟,由多家芯片設計,IP,以及封裝、測試和組裝服務公司組成,同時推出了相應的互連接口標準ACC 1.0。
在美國打壓,中國尋求半導體產(chǎn)業(yè)鏈關鍵環(huán)節(jié)自主可控的當下,這一聯(lián)盟的成立,頗有與由AMD、Arm、英特爾、臺積電和ASE(日月光)主導的UCIe聯(lián)盟分庭抗禮的意味。
從技術層面來看,Chiplet的價值和發(fā)展前景已經(jīng)在全球半導體界達成普遍共識。
Chiplet并不是創(chuàng)新概念,它很早就被提出來了,只是市場應用需求沒有發(fā)展到這一步,因此長期處于“隱身”狀態(tài)。之所以在近幾年火熱起來,主要原因是先進制程(5nm及以下)的成本高的驚人,絕大多數(shù)芯片企業(yè)難以負擔。Chiplet則可以在很大程度上解決這一問題。
Chiplet可以把傳統(tǒng)的單芯片設計方案改成多芯片(Die)進行設計,并利用先進封裝工藝進行集成。它的優(yōu)勢主要有以下幾點:
1、提升芯片制造良率,由于良率和芯片的面積有關,面積越大,良率大概率會越低,因此,把一個大芯片分拆成多個小芯片(Die)設計并分別投片,就可以提高良率,良率提升,還可以降低制造成本。
2、以不同的工藝實現(xiàn)一顆芯片,用先進制程制造CPU等計算核心,用相對成熟的制程制造I/O之類的功能塊,可以很好地控制整體成本。
3、設計更加靈活,設計出的Die,通過不同的組合方式,可設計出不同功能的芯片。
雖然有這么多好處,但Chiplet技術并不成熟,各種Die、接口I/O、總線等,與常規(guī)的SoC有很大區(qū)別,需要制定統(tǒng)一的標準,從而使產(chǎn)業(yè)鏈上的設計、制造、封裝等廠商能按照標準操作,才能實現(xiàn)高效、規(guī)?;a(chǎn)。因此,UCIe和ACC 1.0等行業(yè)規(guī)范相繼推出。
Chiplet面臨的挑戰(zhàn)
Chiplet優(yōu)點很多,同時也面臨著很多問題,會阻礙其發(fā)展,例如:一,應用場景,并不是所有應用類型的芯片都適合做Chiplet,目前來看,CPU、GPU等處理器最適合做Chiplet,而且是在高性能應用領域,像智能手機等消費類電子設備用的芯片,很少需要采用Chiplet設計;二,成本,只有傳統(tǒng)SoC成本達到一定量級,改用Chiplet設計才劃算;三、良率問題;四、測試問題。
首先看一下應用場景,其實應用場景的限制是和成本緊密相關的,目前,Chiplet商業(yè)化最成功的(技術和規(guī)模)就是AMD的數(shù)據(jù)中心處理器。從第一代ZEN架構開始,AMD就采用了Chiplet設計,ZEN-1架構的服務器產(chǎn)品naples是4個同樣結構的Die(都含有計算核、DDR內存和I/O功能,I/O主要包括PCIe、以太網(wǎng)、CPU片間互連等)通過 IFOP(Infinity Fabric on Package,一種片內互連物理層技術)相連,ZEN-2 架構的roma是8個計算核心的Die通過升級版的IFOP互連技術和一個I/O Die(將DDR和I/O功能獨立出來)互連,ZEN-3架構的Chiplet設計與ZEN-2的基本相同。
除了AMD,Marvell自2016年以來一直使用Chiplet設計其網(wǎng)絡處理和通信芯片。AMD的Chiplet設計取得商業(yè)化成功之后,英特爾等廠商開始跟進,目前,在以數(shù)據(jù)中心和云計算為代表的高性能計算(HPC)應用領域,Chiplet設計越來越普及。然而,除了HPC,Chiplet幾乎沒有其它應用場景了,因為用到Chiplet設計的芯片(主要是處理器),肯定要涉及先進制程(10nm以下),而絕大多數(shù)應用(消費類、汽車、工控、軍工、航空航天、物聯(lián)網(wǎng)等)所需芯片,都是基于成熟制程的,即使是智能手機處理器這種要用到先進制程的芯片,由于其芯片晶體管規(guī)模、性能受控,使得成本相對可控,很少用到Chiplet設計。
其次,看一下成本。成本是近些年Chiplet越來越火爆的關鍵,原因在于以7nm、5nm、3nm,以及未來的2nm、1nm為代表的先進制程,生產(chǎn)成本對于絕大多數(shù)芯片企業(yè)而言是天文數(shù)字,只有少數(shù)企業(yè)能夠承擔。因此,將采用多種制程的Die“混裝”起來的Chiplet設計,就成為了多數(shù)企業(yè)可以采用先進制程的解決方案,這樣不僅可以享受到先進制程的好處,還可以有效控制總體成本。
關于采用Chiplet設計方案的成本臨界點,馬愷聲老師在“算一算Chiplet的成本”一文中有過分析,總結為以下兩方面:
1、如果芯片面積在200平方毫米以下,沒有必要做Chiplet,真正有收益的是在800平方毫米以上的大芯片。這也是為什么今天超大的芯片(HPC應用)用Chiplet方案,因為經(jīng)濟上更劃算。另外,Chiplet設計必將采用先進封裝技術,伴隨先進封裝會產(chǎn)生大量測試、封裝成本,先進的封裝都非常昂貴,甚至數(shù)倍于芯片制造的成本,這也在很大程度上影響并制約著Chiplet的應用。
2、制程工藝越先進(如5nm),Chiplet成本優(yōu)勢越明顯,因為在800平方毫米的單片系統(tǒng)中,硅片缺陷導致的額外成本占總制造成本的50%以上,對于較為成熟的制程工藝(如14nm)而言,盡管產(chǎn)量的提高也節(jié)省了高達35%的成本,但由于D2D接口和封裝開銷(MCM>25%,2.5D>50%),多Die設計的成本優(yōu)勢減弱了很多,也就是說,此時用Chiplet設計意義不大。用一句話概括就是:當硅片缺陷的成本超過封裝成本時,Chiplet架構會產(chǎn)生明顯的成本效益。
下面看一下良率問題。當一個采用Chiplet架構的芯片完成封裝,由于內部有多個Die,有的芯片內部功能塊繁多且復雜,處理器、內存和I/O控制等組合在一起,可能有100多個Die,假設一種Die的良率超過90%,那么它們組合在一起,整個芯片的良率肯定不到90%,且組成的Die越多,整體良率越低。低良率會給封裝廠和芯片擁有者帶來很多麻煩,其實,歸根結底,還是成本問題。
最后看一下測試問題。在多數(shù)情況下,很難判斷Die是否可以在封裝完成之前正常工作,當不同的Die并排放置時,芯片頂部的I/O焊盤很小,而且極難直接測試。為了與探頭良好接觸,需要施加相當大的壓力,這可能會損壞觸點和芯片內部結構。盡管晶圓代工廠會測試晶圓,但這種測試難以做到詳盡無遺,實際上只是為了篩選出明顯的缺陷。目前,面對這一測試問題,業(yè)界知名封測大廠,以及頂尖科研機構都提出過解決方案,但都屬于摸索階段,并未成熟。
綜上,Chiplet有很多優(yōu)勢,同時,要想拓展更廣闊的市場,面臨的問題也不少,還需要不斷探索。
Chiplet是中國半導體的“救命稻草”嗎?
不止在國際,近幾年,Chiplet在中國大陸也非?;鸨貏e是美國開始打壓中國半導體業(yè)以來,可以減少先進制程用量,同時又能享受到先進制程好處的Chiplet備受期待。
首先要肯定的是,中國發(fā)展Chiplet是沒錯的,無論是技術本身,還是應用需求,它都代表著未來的發(fā)展方向。不過,對Chiplet寄予過高期待,指望它解決關鍵問題,就有些跑偏了。
首先,如前文所述,在目前和未來相當長一段時期內,Chiplet設計主要用于大型CPU和GPU等處理器,那么,中國的相關芯片發(fā)展情況如何呢?
CPU方面,目前,國產(chǎn)CPU,特別是大芯片,與國際大廠存在明顯差距:首先,CPU各項參數(shù)(核心數(shù)、主頻、內存信道等)、性能有較大提升空間,與英特爾和AMD相比,國產(chǎn)CPU在先進制程的晶圓加工工藝方面存在較大差距,這也會影響整體性能表現(xiàn)。
國產(chǎn)CPU代表企業(yè)主要包括龍芯中科、華為海思、飛騰、兆芯等,而這些企業(yè)的產(chǎn)品多以PC、嵌入式應用為主,涉獵大芯片的不多,只有華為海思、寒武紀科技等少數(shù)企業(yè)重點研發(fā)采用7nm及更先進制程的服務器芯片和AI芯片。
GPU方面,英偉達等國際GPU龍頭企業(yè)已經(jīng)牢牢構建了專利墻,中國廠商在開發(fā)過程中,繞開現(xiàn)有專利具備一定難度。無論是老牌企業(yè),如景嘉微和海光,還是新興創(chuàng)業(yè)公司,如芯動科技、壁仞科技、摩爾線程、沐曦集成電路、天數(shù)智芯等,大多還處于發(fā)展初期,且所設計的芯片規(guī)模有限,采用Chiplet設計的還不多。不過,這些GPU企業(yè),特別是創(chuàng)業(yè)公司,還是有很大發(fā)展?jié)摿Φ?,雖然短期內難以在大芯片領域形成規(guī)模,但長期發(fā)展前景還是值得期待的。例如,在云端GPGPU方面,天數(shù)智芯是最近幾年異軍突起的本土企業(yè),該公司推出的7nm制程云端訓練和推理GPGPU,能夠為云端AI訓練和HPC通用計算提供高算力和高能效比。類似這樣的芯片是中國本土Chiplet技術發(fā)展的希望。
還有一點很重要,那就是IP。與SoC相比,Chiplet設計需要更多IP,中國大陸在IP設計和供給方面還有很長的路要走。
對于中國發(fā)展Chiplet,清華大學教授、中國半導體行業(yè)協(xié)會副理事長魏少軍持謹慎樂觀的態(tài)度,2022年,在一次接受媒體采訪時,他表示,不管Chiplet怎么發(fā)展,它還是要先有Chip(芯片),所以其目標還是在成本可控情況下的異質集成,只能是先進工藝的補充。
魏少軍認為,中國集成電路產(chǎn)業(yè)總體上還處在追趕過程中,Chiplet的出現(xiàn)并不能使這一態(tài)勢發(fā)生根本性改變。如果說我們今天的芯片設計主要依賴國外的IP和EDA工具,那么在Chiplet時代,我們用到的芯粒和EDA工具大概率還是依賴國外廠商。不過,魏少軍也指出,中國企業(yè)亦可在Chiplet上有所作為,比如中國企業(yè)可以借助Chiplet更快地發(fā)展應用。
Chiplet的出現(xiàn)給芯片行業(yè)開辟了一片新天地,后續(xù)很可能會出現(xiàn)一種新的商業(yè)模式,即通過集成標準芯粒來構建專用芯片的企業(yè),這也是一些國際大廠打造Chiplet標準的原因。通過標準的設立,可以把自己生產(chǎn)的芯片變成Chiplet企業(yè)使用的“標準產(chǎn)品”,被不斷地集成到各種最終應用中,從而擴大自己的市場。就這方面而言,中國成立自己的Chiplet聯(lián)盟,并推出相應的互連接口標準ACC 1.0,還是很有前瞻性的,這從一個側面體現(xiàn)出中國相關企事業(yè)單位要從底層做起,發(fā)展本土Chiplet的愿望。
總體而言,Chiplet有很好的應用和發(fā)展前景,但它不是中國半導體業(yè)沖刺國際先進水平的靈丹妙藥。要想提升全行業(yè)競爭力,還是要有決心和毅力,秉持十年磨一劍的精神,全方位發(fā)展本土半導體材料、設備、IP、設計和制造水平。
作者:暢秋