「芯調查」Chiplet“樂(lè )高化”開(kāi)啟 UCIe聯(lián)盟要打造芯片的DIY時(shí)代

　　Chiplet（小芯片或芯粒）雖然受到工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的追捧，之前只是“少數人的游戲”。但隨著(zhù)UCIe產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的誕生，一切將成為過(guò)往。一個(gè)由頂級廠(chǎng)商所主導的Chiplet生態(tài)系統已經(jīng)開(kāi)始打造，芯片工業(yè)發(fā)展的新未來(lái)開(kāi)始浮出水面。

因何結盟

　　UCIe（Universal Chiplet Interconnect Express）聯(lián)盟包括了英特爾、臺積電、三星、AMD、Arm、高通、日月光、Google Cloud、Meta、微軟等行業(yè)巨頭，旨在建立統一的die-to-die（裸片到裸片）互聯(lián)標準，打造一個(gè)開(kāi)放性的Chiplet生態(tài)系統。

　　Chiplet被看做是延續摩爾定律的重要途徑，通過(guò)將復雜芯片的不同功能分區制作成單獨芯片，再使用先進(jìn)封裝組合在一起，可以突破傳統SoC制造面臨的諸多挑戰（光罩規模極限和功能極限等），大幅降低設計生產(chǎn)成本。

　　因使用基于異構集成的高級封裝技術(shù)，Chiplet使得復雜芯片的生產(chǎn)不再受到不同工藝的約束，憑借算力拓展的方式就提升了整體性能，并大幅縮短了生產(chǎn)周期。半導體大廠(chǎng)紛紛開(kāi)始布局，希望依靠先進(jìn)封裝技術(shù)，以差異化的堆疊來(lái)整合不同工藝制程，讓Chiplet發(fā)揮更高效率。

　　與所有技術(shù)一樣，Chiplet也面臨不少挑戰，將不同規格與特性的小芯片封裝在一起，散熱、應力和信號傳輸都是重大的考驗。最大的問(wèn)題還是標準不統一，不同廠(chǎng)商開(kāi)發(fā)的Chiplet很難實(shí)現匹配和組合，因而限制整個(gè)業(yè)態(tài)的發(fā)展。

　　“UCIe的出現相當于交通規則實(shí)現統一，打破了不同工藝和晶圓廠(chǎng)之間的界限?！睒I(yè)界資深人士何凌（化名）告訴愛(ài)集微，“之前每個(gè)Chiplet組合都需要制定新的傳輸協(xié)議，無(wú)論die通過(guò)硅橋還是基板連接，供應商都需要進(jìn)行定制，對設計公司還是供應鏈來(lái)說(shuō)，復雜度都過(guò)高了?！?/p>

　　他進(jìn)一步解釋?zhuān)癈hiplet都有好幾個(gè)die，可能來(lái)自相同工藝的不同晶圓廠(chǎng)，或是同一晶圓廠(chǎng)的不同工藝，要實(shí)現連接就需要特定的die-to-die連接IP，而只有晶圓廠(chǎng)互相同意，才會(huì )搭起這個(gè)橋?！?/p>

　　統一的連接標準因此至關(guān)重要。英特爾公司IO技術(shù)解決方案團隊戰略分析師Kurt Lender表示：“基于小芯片的SoP架構允許設計人員將來(lái)自多個(gè)供應商的設計IP和工藝技術(shù)整合在一起，但這種模塊化和設計自由度只有在設計人員使用標準化、可互操作的硬件時(shí)才有效，而跨多個(gè)供應商實(shí)現標準化硬件的最佳方式就是設置一個(gè)每個(gè)人都可以使用的單一開(kāi)放規范?！?/p>

　　UCIe聯(lián)盟制定的UCIe標準意味著(zhù)小芯片的接口將標準化，用戶(hù)可以從多個(gè)晶圓廠(chǎng)獲得構建Chiplet的小芯片，實(shí)現真正的混合配置，“等于打破了各公司之間的壁壘，降低了復雜芯片的開(kāi)發(fā)成本?！睈?ài)集微咨詢(xún)業(yè)務(wù)部總經(jīng)理韓曉敏認為這將在提高Chiplet生態(tài)系統效率方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。

　　英特爾公司表示，UCIe聯(lián)盟代表一個(gè)多樣化的市場(chǎng)生態(tài)系，將滿(mǎn)足客戶(hù)對于更加客制化的封裝層級整合需求，從一個(gè)可互通、多廠(chǎng)商的生態(tài)系，連結同級最佳芯片到芯片互連和協(xié)定。

　　Arm公司指出，UCIe是一個(gè)新的行業(yè)聯(lián)盟，旨在建立一個(gè)die-to-die的互連標準，并促進(jìn)一個(gè)開(kāi)放的Chiplet生態(tài)系統，同時(shí)滿(mǎn)足客戶(hù)對更多可定制的封裝級集成的要求，將一流的die-to-die的互連與協(xié)議從一個(gè)可互用且多廠(chǎng)商的生態(tài)系統連接起來(lái)。

聯(lián)盟使命：突破互聯(lián)、封裝屏障

　　樂(lè )高積木有成千上萬(wàn)種，依靠統一的插口，用戶(hù)可以實(shí)現任何組合。對于Chiplet來(lái)說(shuō)，這種統一的插口就是die-to-die之間的互聯(lián)接口和協(xié)議。

　　之前的Chiplet設計將die-to-die互連與公司的專(zhuān)有接口結合在一起。要擴大Chiplet的應用范圍，需要開(kāi)放接口進(jìn)行互連，使不同的小芯片能夠相互通信。

　　互連接口和協(xié)議對于Chiplet十分關(guān)鍵，其設計必須考慮與工藝制程及封裝技術(shù)的適配、系統集成及擴展等要求，還需滿(mǎn)足不同類(lèi)型Chiplet集成對單位面積傳輸帶寬、每比特功耗等性能指標的要求。

　　UCIe聯(lián)盟此次沒(méi)有采取激進(jìn)的方法，而是在UCIe 1.0規范中選擇了成熟的PCIe(PCI Express)和CXL(Compute Express Link)互聯(lián)總線(xiàn)標準。

　　PCIe提供了廣泛的互操作性和靈活性，而CXL可用于更先進(jìn)的低延遲/高吞吐量連接，如內存（CXL.mem）、I/O（CXL.io），以及加速器，如GPU和ASIC（CXL.cache）。

　　PCIe和CXL已經(jīng)經(jīng)過(guò)了多重的考驗，這意味著(zhù)UCIe標準正在以一個(gè)完整且經(jīng)過(guò)充分驗證的協(xié)議層開(kāi)始運行，可以提供可靠的數據傳輸和鏈路管理，以及緩存一致性等額外的定制功能。更為重要的是，設計者和芯片制造商都可以利用現有的PCIe/CXL軟件，進(jìn)一步降低了開(kāi)發(fā)功能。

　　對此，半導體行業(yè)人士陳啟給出評價(jià)：“在UCIe標準落地之后，芯片設計會(huì )走向更靈活高效的設計思路，以滿(mǎn)足多樣化半定制的需求，因此需要不同制程的芯片通過(guò)專(zhuān)用總線(xiàn)連接起來(lái)，在高效設計和成本方面達到平衡點(diǎn)；UCle標準確定后，未來(lái)異構芯片的集成也就鋪平了總線(xiàn)標準的道路?！?/p>

　　解決互聯(lián)只是第一步，要將Chiplet真正結合在一起，最終還要依靠先進(jìn)封裝。這也是Chiplet被劃歸為先進(jìn)封裝的意義所在。不過(guò)，臺積電擁有CoWoS/InFO、Intel擁有EMIB、Fovores 3D等，Chiplet使用的先進(jìn)封裝多種多樣。為了實(shí)現更大的兼容性，UCIe1.0標準沒(méi)有涵蓋用于在小芯片之間提供物理鏈接的封裝/橋接技術(shù)。

　　在UCIe的定義中，Chiplet可以通過(guò)扇出封裝、硅中介層、EMIB連接，甚至可以通過(guò)一個(gè)普通的有機基板連接。只要一個(gè)UCIe小芯片符合標準（包括凸塊間距），它就可以與另一個(gè)UCIe小芯片通信。

圖UCIe當前所覆蓋的封裝形式（數據來(lái)源：UCIe白皮書(shū)）

　　需要注意的是，Chiplet技術(shù)的發(fā)展終究會(huì )使得小芯片間的互聯(lián)達到更高的密度，因此需要從傳統的凸點(diǎn)焊接轉向混合鍵合（hybrid bonding）。但是，UCIe 1.0標準基本上只對2D和2.5D芯片封裝進(jìn)行了定義，要應對先進(jìn)封裝功能和密度的不斷提升，標準本身還需不斷升級。

誰(shuí)人受益

　　UCIe聯(lián)盟的發(fā)起者中有IDM、晶圓廠(chǎng)、封裝廠(chǎng)、IP和系統廠(chǎng)商，誰(shuí)將是受益者？

　　作為UCIe聯(lián)盟的發(fā)起人，英特爾認為，將多個(gè)小芯片整合至單一封裝，在各個(gè)市場(chǎng)提供產(chǎn)品創(chuàng )新，是半導體產(chǎn)業(yè)的未來(lái)，也是英特爾IDM2.0策略的重要支柱。

圖英特爾Pat Gelsinger提出IDM 2.0戰略

　　IDM2.0就是把原本只為英特爾內部服務(wù)的IDM模式套用到客戶(hù)上，提供從芯片設計、定制化、晶圓制造到封裝測試等傳統半導體上下游環(huán)節的一條龍服務(wù)。

　　與IDM1.0模式最大的不同就是IDM2.0加入了封裝技術(shù)。英特爾擁有頂級的3D封裝技術(shù)，配合Chiplet生態(tài)，可有效地縮短純制程工藝上的差距。

　　亞馬遜、Google、蘋(píng)果、微軟、Meta和特斯拉等科技巨頭都曾是英特爾的客戶(hù)，如今在云端服務(wù)和終端產(chǎn)品上，都有計劃或已經(jīng)采用自研芯片，原因之一就是英特爾過(guò)去缺乏彈性的定制化服務(wù)能力。若英特爾的3D封裝技術(shù)借Chiplet生態(tài)發(fā)揮最大功效，有望滿(mǎn)足這些客戶(hù)的高端設計服務(wù)需求。

　　今年2月，英特爾正式宣布一項10億美元新基金，將優(yōu)先投資能加速代工客戶(hù)產(chǎn)品上市時(shí)間的技術(shù)能力，涵蓋IP、軟件工具、創(chuàng )新芯片架構和先進(jìn)封裝技術(shù)。英特爾還宣布與該基金聯(lián)盟的多家公司建立合作伙伴關(guān)系，打造一個(gè)開(kāi)放的Chiplet平臺（Open Chiplet Platform）。此平臺將利用英特爾的封裝能力和針對英特爾代工服務(wù)（IFS）工藝技術(shù)的IP優(yōu)化，并結合包含集成和驗證服務(wù)，加快客戶(hù)上市時(shí)間。

　　有資深業(yè)內人士指出，“提出IDM2.0，可使英特爾處在可進(jìn)可退的位置，進(jìn)一步建立標準語(yǔ)言后，未來(lái)有機會(huì )去爭取更多的客戶(hù)，退路是如果做得不好，則可以進(jìn)行外包,也符合2.0計劃?！?/p>

　　晶圓廠(chǎng)在當前的Chiplet生態(tài)中處于有利位置，加入UCIe聯(lián)盟將使得優(yōu)勢進(jìn)一步擴大。晶圓廠(chǎng)積累了大量用于傳統芯片的IP核和die，都可以用于開(kāi)發(fā)基于Chiplet的設計?？蛻?hù)選擇想要整合的功能，晶圓廠(chǎng)提供解決方案，結合先進(jìn)工藝和先進(jìn)封裝將不同的Chiplet集成在一起。

　　臺積電早在10年前開(kāi)始耕耘先進(jìn)封裝，結合自身晶圓代工龍頭的實(shí)力，快速拉開(kāi)和對手的差距，同時(shí)正大舉擴充先進(jìn)封裝產(chǎn)能。臺積電先進(jìn)封裝竹南AP6廠(chǎng)去年SoIC部分設備已移入，Info相關(guān)部分則目標是今年到位，整體將在今年底量產(chǎn)。

　　三星先前也已陸續更新異質(zhì)封裝技術(shù)，最早在2018年推出首款I(lǐng)-Cube2方案，后續在2020年推出X-Cube方案的3D堆疊設計，去年也已更新I-Cube第四代方案。

　　何凌認為，晶圓廠(chǎng)如果把先進(jìn)封裝做好，“彎腰”進(jìn)入更下游的基板領(lǐng)域，將基板的基礎打好，有助于實(shí)現產(chǎn)業(yè)垂直整合的目標。

　　封裝廠(chǎng)也在研究自己的Chiplet策略，但依然采取了類(lèi)似當前的生產(chǎn)流程。晶圓廠(chǎng)為客戶(hù)生產(chǎn)芯片，然后將成品芯片送到封裝廠(chǎng)，由其負責處理封裝集成?！皢?wèn)題是Chiplet更多的是依靠先進(jìn)封裝，屬于前道工藝的范疇，所以處在后道工序的封裝廠(chǎng)戲份并不多?！币晃恍袠I(yè)觀(guān)察者指出。

　　不過(guò)，扇出型板級封裝的出現可能改變這種局面。這種封裝技術(shù)將使得封裝廠(chǎng)具備與晶圓廠(chǎng)相抗衡的實(shí)力，以日月光為首的封裝廠(chǎng)正在積極開(kāi)發(fā)自己的板級封裝工藝。

　　IP公司也將從Chiplet生態(tài)中獲得更多機會(huì )?！凹词故谴蠊疽矡o(wú)法承擔內部開(kāi)發(fā)所有IP的費用，希望通過(guò)第三方IP來(lái)節省時(shí)間和金錢(qián)；同時(shí)，UCIe對于IP供應商意味著(zhù)新的生意，不管是芯片內部傳輸，還是在機箱中增加UCIe接口，都增加了更多可能性?！焙瘟枵f(shuō)。

　　不過(guò)，最大的機會(huì )源自IP的芯片化?！巴ㄟ^(guò)標準化協(xié)議，IP公司可以把CPU核做成一個(gè)芯片，實(shí)現實(shí)體化，而隨著(zhù)Chiplet方案進(jìn)一步擴展，Arm A78核可能用臺積電的16nm就搞定了，單個(gè)小芯片體積變小，整體設計成本就大幅降低了?！焙瘟枵J為相當于將Chiplet廣義化，若協(xié)議推廣開(kāi)來(lái)，IP開(kāi)發(fā)難度門(mén)檻會(huì )降低很多，很多IP公司都愿意加入這個(gè)聯(lián)盟。

　　Arm公司就表示，可互用性對于解決Arm生態(tài)系統、乃至整個(gè)行業(yè)的碎片化至關(guān)重要，“當今，我們看到行業(yè)中有很多人正在以獨特的方式進(jìn)行這種的整合；通過(guò)UCIe，我們能夠推動(dòng)一個(gè)可互用的標準，該標準將同時(shí)提供向后兼容的能力?！?/p>

　　最后是微軟、Meta、Google一類(lèi)的系統公司，其已經(jīng)從自研芯片中得到很多益處。有了成熟的Chiplet生態(tài)，他們將會(huì )更容易地得到定制化芯片。

　　UCle聯(lián)盟的成立只是Chiplet生態(tài)建立的頭一步，當技術(shù)和商業(yè)模式逐漸成熟的時(shí)候，Chiplet體系中可能還會(huì )出現新的商業(yè)角色，如供應Chiplet模塊芯片的供應商、將Chiplet芯片集成組合形成系統能力的集成商，以及進(jìn)行工具鏈和設計自動(dòng)化支持服務(wù)的EDA軟件提供商等。所以，UCIe的誕生確實(shí)為芯片工業(yè)又打開(kāi)了一扇新的大門(mén)。