作者：Levin

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導(dǎo)讀

在摩爾定律逼近極限的今天，Chiplet的發(fā)展已是大勢(shì)所趨，也是我國半導(dǎo)體為數(shù)不多的反超國外的機(jī)會(huì)之一。

近日，在西安高新區(qū)舉行的秦創(chuàng)原人工智能前沿科技成果發(fā)布會(huì)暨重點(diǎn)成果轉(zhuǎn)化簽約儀式上，國內(nèi)首款基于Chiplet（芯粒）技術(shù)的AI芯片“啟明930”正式亮相。

據(jù)了解，“啟明930”為北極雄芯開發(fā)的首款基于Chiplet異構(gòu)集成的智能處理芯片，該芯片采用12nm工藝生產(chǎn)，中央控制芯粒采用RISC－V CPU核心，可通過高速接口搭載多個(gè)功能型芯粒，并基于全國產(chǎn)基板材料以及2．5D封裝，做到算力可拓展，提供8～20TOPS（INT8）稠密算力來適應(yīng)不同場(chǎng)景，目前已與多家AI下游場(chǎng)景合作伙伴進(jìn)行測(cè)試。

北極雄芯創(chuàng)始人馬愷聲教授發(fā)布啟明930

Chiplet是平衡性能與成本的“靈丹妙藥”

當(dāng)前，摩爾定律逐步趨近于物理極限，新工藝制程發(fā)展雖然使得芯片的體積與性能不斷迭代，但同時(shí)也帶來了高昂的成本。據(jù)IBS統(tǒng)計(jì)，28nm芯片的設(shè)計(jì)成本在4000萬美元，16nm芯片設(shè)計(jì)成本約1億美元，而5nm芯片的設(shè)計(jì)成本更高達(dá)5．4億美元。

再繼續(xù)發(fā)展下去，先進(jìn)工藝的投入產(chǎn)出比已難以具備商業(yè)合理性，同時(shí)受制于光刻尺寸及晶圓廠良率，單芯片的面積也很難繼續(xù)延伸，未來芯片設(shè)計(jì)的成本將直接“勸退”中小廠商，甚至大廠也需要摸一下自己的口袋。而Chiplet的出現(xiàn)則是給了整個(gè)行業(yè)一個(gè)新的思路，Chiplet技術(shù)可以將大型7nm設(shè)計(jì)的成本降低25％，5nm及以下的制程節(jié)省的成本更多，基于Chiplet架構(gòu)的芯片設(shè)計(jì)理念也逐步成為后摩爾時(shí)代提升芯片性能及算力的共識(shí)。

根據(jù)Gartner預(yù)測(cè)，基于Chiplet方案的半導(dǎo)體器件收入將在2024年達(dá)到505億美元左右，2020－2024年間復(fù)合增速高達(dá)98％。近年來，國外廠商基于Chiplet技術(shù)在各領(lǐng)域都有所嘗試，利用Chiplet技術(shù)在自身CPU、GPU等通用芯片上的應(yīng)用已逐步商業(yè)化，可以將多顆不同工藝、不同功能的小芯片，通過2D、2．5D、3D等各種方式整合在一起，更靈活地制造大型芯片，當(dāng)前AMD推出的銳龍、霄龍?zhí)幚砥鳎⑻貭栕钚碌目犷！⒅翉?qiáng)處理器，都是典型的小芯片架構(gòu)，而蘋果M2 Max芯片通過“簡單”的拼接，更加充分地展示出Chiplet在封裝互連技術(shù)、半導(dǎo)體制造和電路設(shè)計(jì)上的巨大想象空間。

放眼國內(nèi)，在先進(jìn)制程受到國外限制情況下，國產(chǎn)化替代進(jìn)程逐漸加速，Chiplet也為國內(nèi)廠商和市場(chǎng)開辟了新思路，是僅有的幾種可滿足國內(nèi)日益增長的大算力需求的方式之一，有望成為我國集成電路產(chǎn)業(yè)在逆境中的突破口。同時(shí)，面對(duì)碎片化且預(yù)算有限的算力芯片需求，Chiplet可快速部署高性價(jià)比的工程化方案。

簡單來說，Chiplet技術(shù)就是對(duì)原本復(fù)雜的SoC芯片的解構(gòu)，將滿足特定功能的裸片通過die－to－die內(nèi)部互連技術(shù)與底層基礎(chǔ)芯片封裝組合在一起，類似于搭建樂高積木一般，最后集成為一個(gè)系統(tǒng)級(jí)芯片，如采用28nm的芯片，通過Chiplet的方式，便可使其性能和功能接近16nm甚至7nm工藝的芯片。這樣可以通過對(duì)不同功能模塊的芯片選用合適的制程工藝，從技術(shù)方面實(shí)現(xiàn)各功能的最優(yōu)化、成本的最小化、性價(jià)比的最大化、模塊復(fù)用的靈活化。

而在算法差異化顯著、專用化需求逐漸增強(qiáng)的AI領(lǐng)域，“啟明930”背后北極雄芯獨(dú)創(chuàng)的基于Chiplet模式的異構(gòu)集成方案，通過將通用需求與專用需求的解耦，大幅降低了芯片設(shè)計(jì)投入門檻及風(fēng)險(xiǎn)，有效解決了下游客戶在算法適配、迭代周期、算力利用率、算力成本等各方面難以平衡的核心痛點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心、自動(dòng)駕駛、隱私計(jì)算、工業(yè)智能等領(lǐng)域。

我國需要自己的Chiplet技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

作為一種互連技術(shù)，Chiplet與其他很多技術(shù)類似，標(biāo)準(zhǔn)的制定對(duì)整個(gè)產(chǎn)業(yè)來說意義重大。就像樂高積木之所以能夠在全球風(fēng)靡，其中的一個(gè)重要原因就在于其積模件的標(biāo)準(zhǔn)化。對(duì)于Chiplet來說，能否進(jìn)一步向前發(fā)展，很大程度上取決于能否出現(xiàn)一種將不同芯片模型連接起來的標(biāo)準(zhǔn)接口。

在去年3月份，全球知名芯片制造商英特爾、臺(tái)積電、三星聯(lián)手芯片封測(cè)龍頭日月光，攜手AMD、高通、谷歌、微軟、Meta等科技行業(yè)巨頭推出了全新的通用芯片互連標(biāo)準(zhǔn)UCle，旨在為小芯片互連定制一個(gè)新的開放標(biāo)準(zhǔn)，簡化相關(guān)流程，并提高來自不同制造商的小芯片之間的互操作性。這一標(biāo)準(zhǔn)之下，芯片制造商可以在合適的情況下混合構(gòu)建芯片。目前，UCIe產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的會(huì)員囊括了集成電路領(lǐng)域設(shè)計(jì)、制造以及用戶等上下游的上百家重要企業(yè)。

對(duì)于我國的芯片產(chǎn)業(yè)來說，積極擁抱國際標(biāo)準(zhǔn)是一個(gè)必選項(xiàng)，定制我國自己的Chiplet標(biāo)準(zhǔn)更是迫在眉睫。

早在2020年，中科院計(jì)算所就牽頭成立了中國計(jì)算機(jī)互連技術(shù)聯(lián)盟（CCITA），重點(diǎn)圍繞Chiplet小芯片和微電子芯片光I／O成立了2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)工作組，并于2021年6月在工信部中國電子工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)協(xié)會(huì)立項(xiàng)了《小芯片接口總線技術(shù)》和《微電子芯片光互連接口技術(shù)》兩項(xiàng)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)。其中，小芯片接口標(biāo)準(zhǔn)的制定共集結(jié)了國內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈上下游六十多家單位共同參與研究。

在去年12月16日舉辦的“第二屆中國互連技術(shù)與產(chǎn)業(yè)大會(huì)”上，首個(gè)由中國集成電路領(lǐng)域相關(guān)企業(yè)和專家共同主導(dǎo)制定的《小芯片接口總線技術(shù)要求》團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)，正式通過工信部中國電子工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)協(xié)會(huì)的審定并發(fā)布。這是中國首個(gè)原生Chiplet技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于中國集成電路產(chǎn)業(yè)延續(xù)“摩爾定律”，突破先進(jìn)制程工藝限制具有重要意義。

這項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)描述了CPU、GPU、人工智能芯片、網(wǎng)絡(luò)處理器和網(wǎng)絡(luò)交換芯片等應(yīng)用場(chǎng)景的小芯片接口總線（Chiplet）技術(shù)要求，包括總體概述、接口要求、鏈路層、適配層、物理層和封裝要求等，以靈活應(yīng)對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景、適配不同能力的技術(shù)供應(yīng)商，通過對(duì)鏈路層、適配層、物理層的詳細(xì)定義，實(shí)現(xiàn)小芯片之間的互連互通，兼顧了PCIe等現(xiàn)有協(xié)議的支持，并列出了對(duì)封裝方式的要求。

寫在最后

除北極雄芯等初創(chuàng)公司外，國內(nèi)大廠也早已擁抱Chiplet。華為是國內(nèi)最早嘗試Chiplet的一批公司；海思半導(dǎo)體也在早期與臺(tái)積電合作過Chiplet技術(shù)；國產(chǎn)芯片廠商芯動(dòng)科技在一款高性能服務(wù)器級(jí)顯卡GPU上使用了INNOLINK Chiplet技術(shù)；芯片封測(cè)企業(yè)長電科技也宣布已研發(fā)成功4納米Chiplet技術(shù)，封裝面積可以達(dá)到1500mm?，并實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)級(jí)封裝，在全球居于領(lǐng)先地位。

在目前芯片工藝被國外“卡脖子”的情況下，很多人都認(rèn)為Chiplet是我國在芯片領(lǐng)域彎道超車的一個(gè)機(jī)會(huì)，但不要忘了，在實(shí)際駕駛的過程中，彎道超車是要盡力避免的操作，在直線上加速超車才是正確的行為。芯片產(chǎn)業(yè)的積累也不是短時(shí)間可以完成的，Chiplet本身只是一種新的封裝理念和技術(shù)發(fā)展的思路而已，可以將不同節(jié)點(diǎn)工藝、不同材質(zhì)、不同功能、不同半導(dǎo)體公司的芯片封裝在一起。而國內(nèi)廠商要走“全自研”路線，仍需打磨很長時(shí)間。

不僅如此，解決Chiplet的互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)也只是第一步，Chiplet在國內(nèi)還面臨著如何做出來以及誰來用的問題。在技術(shù)層面，Chiplet面臨著來自多個(gè)方面的挑戰(zhàn)，需要依靠國內(nèi)高校等機(jī)構(gòu)的科研實(shí)力，聯(lián)合國內(nèi)大廠，攻克Chiplet在設(shè)計(jì)、封裝、測(cè)試等環(huán)節(jié)的一眾難題；在應(yīng)用方面，也需要聯(lián)合國家重點(diǎn)單位、大型企業(yè)、服務(wù)器應(yīng)用商、智能車企業(yè)等來協(xié)同，才能使我國的Chiplet真正實(shí)現(xiàn)做得出來、賣得出去。

參考資料：1．《國內(nèi)首款基于Chiplet AI芯片“啟明 930”亮相西安高新區(qū)》，鳳凰網(wǎng)2．《“清華系”企業(yè)北極雄芯 發(fā)布首款基于Chiplet架構(gòu)AI芯片》，愛集微3．《北極雄芯完成天使＋輪融資，引入眾多知名產(chǎn)業(yè)資本》，北極雄芯官網(wǎng)4．《續(xù)寫摩爾定律！國產(chǎn)Chiplet標(biāo)準(zhǔn)將出爐，小芯片迎來大爆發(fā)？》，物聯(lián)傳媒

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