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2023-01-31
拜登關(guān)心的“小芯片”，是中國芯片產(chǎn)業(yè)的突破口？
更新時間：2022-08-17 08:08:37作者：未知
【文/觀察者網(wǎng)專欄作者 清檸】
8月9日，上午10點，艷陽高照。對于大多數(shù)人而言，這是一個忙碌的星期二。
但是對于新冠初愈的美國總統(tǒng)拜登而言，這天顯得格外辛苦：伴隨著持續(xù)不斷地咳嗽，他在一眾半導(dǎo)體行業(yè)CEO的注視下，簽署了延期許久的《2022芯片與科技法案》。
與傳統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)法案相比，《芯片與科學(xué)法案》給出了不少建議。其中有一條，顯得格外的醒目：
“我們還將建議開發(fā)‘芯粒平臺（Chiplet Platform)’——一種包括產(chǎn)品中常見的、非創(chuàng)新部分的芯片——使初創(chuàng)公司和學(xué)術(shù)研究人員能夠更快地創(chuàng)新，并大幅降低他們的開發(fā)成本?！?/blockquote>為了強調(diào)這一建議的價值，法案“恰到好處”地搬出了中國：
“其他國家，尤其是亞洲國家，正在進行投資，以降低進入市場的成本，并看到了成效。例如，中國每年創(chuàng)建的半導(dǎo)體初創(chuàng)公司是美國的六倍?！?/p>
“撰寫這套法案的人是生搬硬套?！卑雽?dǎo)體從業(yè)人員林騰（化名）表示，“Chiplet不是平臺，而是一種生產(chǎn)模式，是整個行業(yè)的改良?！?/p>
化整為零、靈活生產(chǎn)
Chiplet是什么？把“大芯片”拆成“小芯片”。
芯片行業(yè)的發(fā)展，理論上遵循摩爾定律：當價格不變時，集成電路上可容納的晶體管數(shù)目，約每隔18個月便會增加一倍，性能也將提升一倍。
這一定律也奠定了芯片行業(yè)的大趨勢：空間有限，數(shù)量翻倍。就要縮小晶體管體積，用先進制程提升性能。制程越先進，需要集成的晶體管越多，出現(xiàn)生產(chǎn)缺陷的可能性越大，芯片成本越高。
28nm制程前，摩爾定律順風(fēng)順水。但是到了16nm/14nm時代，芯片設(shè)計成本攀升到了上億美元，建廠成本達到150億美元。受益于摩爾定律的CPU、DRAM等產(chǎn)品，性能提升卻緩慢，并沒有從先進制程中獲益。
壓縮晶體管，已經(jīng)讓芯片內(nèi)卷到了極限。想進一步提高芯片集成度，就要從結(jié)構(gòu)下手。
目前而言，芯片行業(yè)主流制造模式是系統(tǒng)級芯片（SoC），把不同功能模塊封裝在一個芯片中，各個模塊都采取相同的制程。芯片面積越大，晶體管越多，SoC模式面臨的壓力就越大。
Chiplet模式則反其道而行之，把模塊進行分類，先封裝幾個裸片，最后統(tǒng)一封裝。構(gòu)成芯片的幾個模塊，像積木一樣分類組裝，難度下降了不少。
既然是分塊組裝，各個模塊就能自行配置，降本增效。利用Chiplet組裝的芯片，CPU可能是10nm，存儲芯片可能是14nm，模擬芯片可能是90nm。
林騰算了一筆賬：“28nm SoC 芯片成本為5000萬美元，7nm為3億美元。如果用Chiplet模式平衡成本，可以省出20%的資金?！?/p>
利用化整為零的策略，Chiplet還提高了芯片良品率。芯片良品率與芯片面積有關(guān)，同樣大小的晶圓，芯片加工面積越大，芯片生產(chǎn)數(shù)量越少，因為生產(chǎn)缺陷淘汰的芯片比例越高。Chiplet按模塊生產(chǎn)，提高了芯片加工數(shù)量，從而提高了良率。
除此之外，Chiplet模式下生產(chǎn)的模塊，可以根據(jù)需要遷移到其他的芯片設(shè)計中。將設(shè)計資源進行整合，不但降低了芯片的設(shè)計成本，也可以讓企業(yè)根據(jù)市場需求迭代產(chǎn)品，加速產(chǎn)品上市。
中國企業(yè)、積極追趕
模塊生產(chǎn)，靈活配置的Chiplet模式，也為中國芯片產(chǎn)業(yè)提供了新機會。
國內(nèi)大廠的Chiplet項目中，最為知名的是華為鯤鵬920芯片，該芯片與2019年量產(chǎn)，將7nm邏輯芯片與16nm I/O芯片等集成在SoC中，主要用于華為TaiShan服務(wù)器。中國移動今年2月公布的2021-2022第1批PC服務(wù)器集采項目中，基于華為鯤鵬芯片的服務(wù)器占比達到16.55%，擁有著出色的市場反饋。
但是華為在Chiplet領(lǐng)域的投入，要追溯到2014年。當時華為海思半導(dǎo)體與臺積電合作生產(chǎn)了一款64位Arm架構(gòu)服務(wù)器處理器。使用了臺積電開發(fā)的CoWoS封裝技術(shù)，集成16nm邏輯芯片與28nm I/O芯片。用Chiplet加強服務(wù)器業(yè)務(wù)實力，將是華為的長期戰(zhàn)略。
在Chiplet模式涉及的封裝流程中，國內(nèi)企業(yè)也在加緊發(fā)力。國內(nèi)第一大封測企業(yè)長電科技，就在去年推出了XDFOI技術(shù)。該技術(shù)是一種面向Chiplet的極高密度，多扇出型封裝高密度異構(gòu)集成解決方案，可以覆蓋2D/2.5D/3D Chiplet，適應(yīng)多種異構(gòu)封裝產(chǎn)品。
追溯到行業(yè)源頭，芯片IP供應(yīng)商也在參與Chiplet。作為國內(nèi)知名芯片IP企業(yè)，芯原股份在2020年就公開表示布局Chiplet業(yè)務(wù)，公司通過Chiplet架構(gòu)設(shè)計推出了高端應(yīng)用處理器平臺，從定義到流片僅用了12個月，工程樣片回片當天順利點亮，并在樣機中順利運行。公司推出的12nm Chiplet產(chǎn)品正在自動駕駛域控制器上開展驗證工作，正在進行版本迭代。
與華為，AMD，英特爾等廠商將Chiplet資源投入到服務(wù)器領(lǐng)域相比，執(zhí)掌芯原股份的戴偉民十分看重Chiplet在自動駕駛領(lǐng)域的發(fā)展，他也給出了自己的分析：
“把計算和功能模塊以Chiplet的方式單獨做好車規(guī)驗證工作，然后通過增加這些Chiplet來升級汽車芯片，可以大幅簡化汽車芯片迭代時的設(shè)計工作和車規(guī)流程，同時增加汽車芯片的可靠性——因為幾顆Chiplet同時失效的幾率遠遠小于一顆汽車芯片失效的幾率。”
機遇初現(xiàn)、挑戰(zhàn)仍在
Chiplet給芯片行業(yè)帶來的，不光是藍圖，還有挑戰(zhàn)。
首先，Chiplet實現(xiàn)“模塊化生產(chǎn)”的前提，是各個配件擁有統(tǒng)一的連接協(xié)議，從而靈活適應(yīng)系統(tǒng)拓展需求和性能指標。但是目前Chiplet標準建立還處于早期階段，缺乏統(tǒng)一標準。
3月2日，半導(dǎo)體巨頭AMD、ARM、Google云、Intel、Meta、微軟、高通、三星、臺積電宣布成立行業(yè)聯(lián)盟，打造Chiplet互聯(lián)標準“UCIe”（Universal Chiplet Interconnect Express）。今年年底，由工信部電子四院，中科院計算所等機構(gòu)制訂的《小芯片接口總線技術(shù)要求》即將公布。建立獨立生態(tài)，對接全球市場，對于國內(nèi)芯片企業(yè)是全新的挑戰(zhàn)。
另一方面，Chiplet模式的成立需要充足的芯片IP資源。不同廠商生產(chǎn)的Chiplet產(chǎn)品，也需要跨平臺的EDA軟件進行同步。國內(nèi)芯片企業(yè)目前對國外EDA和IP供應(yīng)商依賴度較高，要創(chuàng)造開放的Chiplet開發(fā)環(huán)境，依然需要國內(nèi)相關(guān)企業(yè)的支持。
除此之外，Chiplet在生產(chǎn)模式上的優(yōu)化，離不開先進封裝技術(shù)的深度應(yīng)用，在跨廠商、跨制程的生產(chǎn)環(huán)境下設(shè)計布局。與英特爾、臺積電等廠商相比，國內(nèi)封測廠商缺乏有行業(yè)說服力的技術(shù)路線，國內(nèi)代工廠需要持續(xù)進行技術(shù)整合，形成行業(yè)共識。
如果技術(shù)路線不同，Chiplet也很難大展拳腳。英偉達副總裁伊恩·巴克就表示，雖然英偉達曾經(jīng)遇到光掩膜問題，無法打印大面積芯片，但是公司并沒有選擇Chiplet方案。因為英偉達采用的GPU運算，是利用上千個計算內(nèi)核依次執(zhí)行大量相對簡單的計算。
為了規(guī)避這個問題，英偉達開發(fā)了NVlink技術(shù)，通過連接兩塊 NVIDIA 顯卡，能夠?qū)崿F(xiàn)顯存和性能擴展。這項點對點連接技術(shù)也用于英偉達GPU和CPU之間的高速連接，讓GPU動用CPU的資源。英偉達的“超級芯片”計劃，也不采用Chiplet的生產(chǎn)模式。
“摩爾定律和Chiplet的討論，本質(zhì)是圍著DRAM和CPU轉(zhuǎn)。”林騰表示，“這些討論成立的前提，是高性能產(chǎn)品發(fā)展乏力，需要生產(chǎn)層面的優(yōu)化。Chiplet發(fā)展比較成功的AMD，目標也是數(shù)據(jù)中心。如果在國內(nèi)，還是服務(wù)器和汽車領(lǐng)域應(yīng)用更有潛力，繼續(xù)推廣難度也不小?！?/p>
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