粘合萬(wàn)種芯片的“萬(wàn)能膠”：真是摩爾定律的續命丹嗎？

“拼接”芯片似乎已經(jīng)成了芯片圈的新“時(shí)尚”

　　蘋(píng)果3月的春季新品發(fā)布會(huì )發(fā)布了將兩塊M1 Max芯片“黏合”而成的M1 Ultra，號稱(chēng)性能超越Intel頂級CPU i9-12900K和GPU性能天花板NVIDIA RTX 3090。

　　NVIDIA也在3月的GTC上公布用兩塊CPU"黏合”而成的Grace CPU超級芯片，預計性能是尚未發(fā)布的第5代頂級CPU的2到3倍。

　　更早之前，AMD在其EYPC系列CPU中，也用到了"黏合"這一步驟，讓芯片設計成本減少一半。

　　自家芯片的“黏合”似乎已經(jīng)不成問(wèn)題，那么能否從全球市場(chǎng)上挑選出性能最優(yōu)的芯片黏合在一起，創(chuàng )造出更強大的芯片？

　　幾周前，能夠實(shí)現芯片互連的"萬(wàn)能膠"出現了，Intel、AMD、臺積電等芯片公司聯(lián)合成立小芯片互連產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，定制UCIe 1.0（Universal Chiplet Interconnect Express）標準。

　　如果將同一家芯片公司的互連方式（例如NVIDIA的NVlink）視為只能黏合一種材質(zhì)且功能單一的膠水，那么UCIe標準的提出則意味著(zhù)能夠實(shí)現各種芯片互連的芯片萬(wàn)能膠的雛形初現。

　　芯片萬(wàn)能膠，是否已經(jīng)有足夠的能力替代不斷微縮的晶體管，成為摩爾定律的"續命丹"？

「膠水」芯片時(shí)代的真起點(diǎn)

　　"膠水"芯片發(fā)展已經(jīng)有一段時(shí)間了，但業(yè)內一直各自為政，由于沒(méi)有統一的接口標準，"膠水"芯片生態(tài)難建，大公司止步不前，小公司也不敢邁出第一步。

　　長(cháng)期以來(lái)，摩爾定律的持續演進(jìn)被視為芯片性能提升的主要途徑。

　　經(jīng)歷四十多年的發(fā)展，構成芯片的晶體管幾乎要縮小到原子級別，不僅面臨難以突破的物理極限問(wèn)題，制程升級的投入產(chǎn)出比也大幅下降，業(yè)界開(kāi)始尋找新的辦法提升產(chǎn)品性能，例如，通過(guò)改變封裝的方式提升晶體管密度。

　　提出摩爾定律的戈登本人也意識到了封裝的重要性，他在論文中寫(xiě)道："事實(shí)證明用較小的功能模塊構建大型系統可能會(huì )更經(jīng)濟，這些功能模塊將分別進(jìn)行封裝和互連。"

　　簡(jiǎn)單來(lái)講，就是將原先生產(chǎn)好的芯片集成到一個(gè)封裝中，達到減少產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)間和成本的目的，這些芯片模塊可以是不同工藝節點(diǎn)，最終通過(guò)裸片對裸片的方式連接在一起，這一類(lèi)似于用膠水將芯片連接起來(lái)而形成的模型，在業(yè)內被稱(chēng)Chiplet（可譯為芯粒、小芯片）模型。

　　多年以來(lái)，AMD、Intel、臺積電、Marvell等芯片公司已經(jīng)推出了一些類(lèi)似于小芯片的設計，例如，Intel采用了稱(chēng)之為Foveros的小芯片方法，推出了3D封裝的CPU平臺，該封裝方式將1個(gè)10nm的處理器內核和4個(gè)22nm的處理器內核封裝集成在一起；臺積電也正在開(kāi)發(fā)一種被稱(chēng)為集成芯片系統（SoIC）的技術(shù)。

　　在這些技術(shù)中，裸片對裸片的互連至關(guān)重要，即需要將一個(gè)裸片與另一個(gè)裸片"黏合"在一起，每個(gè)裸片都包含一個(gè)帶有物理接口的IP模塊，公共接口能夠讓兩個(gè)裸片形成互連。

　　在Chiplet初期的探索中，許多公司開(kāi)發(fā)了具有專(zhuān)有接口的互連，實(shí)現自家芯片模型間的互連。

　　由于Chiplet的最終目標是在內部或多個(gè)芯片供應商中獲得優(yōu)質(zhì)且可互操作的芯片模塊，因此Chiplet能否進(jìn)一步往前發(fā)展，取決于業(yè)內能否出現一種能將不同芯片模型連接起來(lái)的標準接口，也就是能夠將各種芯片模塊黏合起來(lái)的芯片"萬(wàn)能膠"。

　　今年3月初，萬(wàn)能膠UCIe終于出現，芯片的膠水時(shí)代迎來(lái)新起點(diǎn)。

　　"每個(gè)行業(yè)開(kāi)放標準的落地都會(huì )引發(fā)這個(gè)行業(yè)的爆發(fā)，遵循這一產(chǎn)業(yè)發(fā)展規律，UCIe對Chiplet的發(fā)展意義重大，是Chiplet時(shí)代到來(lái)的重要標志。"半導體設備公司華封科技創(chuàng )始人王宏波向雷峰網(wǎng)(公眾號：雷峰網(wǎng))表示。

　　"Chiplet在業(yè)內推廣了很多年，一直在宣傳，但一直沒(méi)有推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化，很大一部分原因就是在等待標準建立。如果選擇了一個(gè)錯誤的標準，成果就得不到市場(chǎng)的認可，會(huì )白白浪費很多精力。"芯原股份創(chuàng )始人、董事長(cháng)兼總裁戴偉民說(shuō)道。

　　不過(guò)，在UCIe確立之前，業(yè)內已有各種各樣的接口類(lèi)型，"萬(wàn)能膠"的出現是否意味著(zhù)那些曾在Chiplet領(lǐng)域有過(guò)探索的芯片公司們此前的努力都白費了？

　　王宏波認為，Chiplet只是表示通過(guò)先進(jìn)封裝的方式將不同的芯片模塊連接起來(lái)。"在Chiplet發(fā)展初期，各家都會(huì )根據自家的產(chǎn)品需求對Chiplet進(jìn)行獨立的投入和研究，先各自在某些方面取得技術(shù)突破后，再匯聚成行業(yè)標準，這是正常的發(fā)展過(guò)程。"

　　晶方科技副總經(jīng)理劉宏鈞認為，UCIe標準的制定，一定會(huì )用到部分原來(lái)已經(jīng)定義過(guò)的協(xié)議、熟悉的協(xié)議，但也有一些新的標準和封裝集成方式需要重新定義，以實(shí)現更好的互操作性?！癠CIe并不推翻業(yè)界之前的工作，而是將小芯片互聯(lián)的技術(shù)標準化了。"

　　要理解UCIe對Chiplet時(shí)代即將產(chǎn)生的積極作用，可以將其同PCIe進(jìn)行類(lèi)比，在協(xié)議層上甚至可以將UCIe理解為PCIe在縮微互聯(lián)結構上的延伸。

　　"之前的PCIe解決了電腦系統與周邊設備的數據傳輸問(wèn)題，UCIe解決的是小芯片和小芯片，封裝片上獨立模塊與模塊之間的數據傳輸問(wèn)題，如果沒(méi)有統一的電氣信號標準，就不會(huì )形成多家企業(yè)共同完成系統集成的生態(tài)合作，如果沒(méi)有合作，入局Chiplet的單個(gè)企業(yè)就很難完成行業(yè)發(fā)展所需的生態(tài)建設。"劉宏鈞說(shuō)到。

　　王宏波也表達了同樣的觀(guān)點(diǎn)，"PC時(shí)代，Intel主導建立的x86體系就有一系列標準，例如：PCIe標準，可以讓其他家的產(chǎn)品能夠同Intel的CPU分工協(xié)作，x86體系的一系列標準，構建了整個(gè)PC時(shí)代的硬件體系，到了Chiplet時(shí)代，其實(shí)是將PC時(shí)代建立生態(tài)體系的邏輯縮小復刻到芯片中，Chiplet作為一個(gè)芯片組合，也需要靠UCIe標準將不同公司的芯片設計方便的組合在一個(gè)芯片中，通過(guò)這種方式建立生態(tài)并推動(dòng)整個(gè)行業(yè)向前發(fā)展。"

　　不過(guò)，PCIe經(jīng)歷了十多年的發(fā)展才成為主流，UCIe1.0的出現只是Chiplet時(shí)代真正到來(lái)的起點(diǎn)，距離Chiplet真正成為主流也還有一段路要走。即便是強大如Intel，也需要花費大量的時(shí)間和精力才能實(shí)現量產(chǎn)。

工藝實(shí)現成第一難，工程費用無(wú)人愿承擔

　　"事實(shí)上Chiplet的發(fā)展，最大的難度不是在協(xié)議制定上，而是在產(chǎn)品定義以及制造環(huán)節，統一協(xié)議和標準是為了降低研發(fā)成本和加快市場(chǎng)應用。"創(chuàng )享投資的投資總監劉凌韜向雷峰網(wǎng)表示。

　　劉宏鈞持有同樣的觀(guān)點(diǎn)，他認為雖然UCIe統一標準的建立為產(chǎn)業(yè)界指明了方向，但在具體物理層指標帶來(lái)的工藝能力要求和大規模制造環(huán)節仍然有不少挑戰，例如封裝體中多層材料的堆疊，從硅之間的堆疊到硅、有機材料、金屬等多種材料。

　　"將這些材料連接起來(lái)需要細小的引線(xiàn)和線(xiàn)寬，復雜度高，良率受制程影響大，成本也會(huì )很高。"劉宏鈞說(shuō)到。

　　以Intel的EMIB為例，從Intel所發(fā)布的公開(kāi)論文中可以發(fā)現，EMIB在工藝實(shí)現上面臨不少難題，需要進(jìn)行材料和工藝的開(kāi)發(fā)，其硅橋的設計工作需要由懂材料、懂封裝、懂制程和懂信號完整性的資深工程師們來(lái)共同實(shí)現。

　　另外，晶圓制造材料、設備都需要進(jìn)行改進(jìn)，其時(shí)間和成本是除蘋(píng)果、Intel等頭部芯片公司之外無(wú)法承受的。

　　不僅如此，即便是有了UCIe這芯片萬(wàn)能膠，"Chiplet在哪里"的問(wèn)題也難以解決。

　　"UCIe之后，Chiplet面臨的是Chiplet供應商和應用商誰(shuí)先邁出第一步的問(wèn)題。這也是一個(gè)'雞與蛋'的問(wèn)題。Chiplet供應商較為關(guān)心的是Chiplet一次性工程費用（NRE）該由誰(shuí)來(lái)承擔，而應用商則擔心是否有足夠豐富的Chiplet可以應用，以及Chiplet產(chǎn)品的性?xún)r(jià)比何時(shí)能最先驗證。"戴偉民說(shuō)到。

　　正因如此，即便是有了UCIe這一標準，大家也容易停留在觀(guān)望階段，都在等待第一個(gè)吃螃蟹的人出現。"芯原正在與有意向使用Chiplet的企業(yè)積極溝通，并嘗試探索向潛在客戶(hù)'眾籌'Chiplet的方案，有望盡快打破僵局。"戴偉民補充道。

續命摩爾定律，萬(wàn)能膠芯片不萬(wàn)能

　　拋開(kāi)工藝難題，芯片萬(wàn)能膠普及的關(guān)鍵在于，能否延續摩爾定律給芯片公司們更大價(jià)值。

　　從產(chǎn)業(yè)鏈角度，一方面，Chiplet作為半導體產(chǎn)業(yè)的技術(shù)趨勢，需要各家芯片公司都在自己的位置上做最擅長(cháng)的工作，通過(guò)分工協(xié)作減少Chiplet芯片與市場(chǎng)需求匹配的時(shí)間和周期，因此芯片公司之間的連接會(huì )更加緊密，另一方面，芯片萬(wàn)能膠似乎正在改寫(xiě)芯片公司或芯片產(chǎn)品的評價(jià)體系或維度。

　　"一直以來(lái)，最先進(jìn)的前道晶圓工藝節點(diǎn)往往是芯片最佳性能的象征，最先進(jìn)的工藝節點(diǎn)往往引領(lǐng)芯片性能發(fā)展的潮流。但到了Chiplet時(shí)代，單個(gè)先進(jìn)工藝節點(diǎn)的競爭力有可能被多芯片異構系統集成取代，異構集成能力逐漸成為評價(jià)一家芯片設計或制造公司的新標準。"劉宏鈞補充到。

　　"也正因如此，Intel主導參與了UCIe標準的建立，以期構建一個(gè)圍繞Chiplet技術(shù)的生態(tài)圈，對其IDM2.0戰略升級而言至關(guān)重要。"

　　值得一提的是，當先進(jìn)制程對芯片性能提升的重要性程度被削弱時(shí)，對于在晶圓制造領(lǐng)域并不領(lǐng)先的中國大陸芯片產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有利，尤其是中國大陸在先進(jìn)封測領(lǐng)域位居世界前列，Chiplet時(shí)代有望占據一定優(yōu)勢。

　　"相比先進(jìn)制造，在先進(jìn)封裝上，中國與國際先進(jìn)水平的差距并不大，Chiplet的出現對我國芯片產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有利。"戴偉民說(shuō)道。

　　從成本優(yōu)勢的角度來(lái)看，盡管AMD、Intel已經(jīng)證明了多芯片架構具有一定的經(jīng)濟性，但實(shí)際上，與微縮晶體管相比，芯片萬(wàn)能膠并不是在所有時(shí)候都能帶來(lái)最大的成本優(yōu)勢。

　　清華大學(xué)交叉院博士研究生馮寅瀟和清華大學(xué)交叉院助理教授馬愷聲發(fā)表了一篇有關(guān)Chiplet成本計算的論文，通過(guò)建立Chiplet精算師的成本模型對多芯片集成系統的成本效益進(jìn)行精準評估。

　　結果發(fā)現，現階段的Chiplets方案只有在800平方毫米的大芯片上才真正有收益，且工藝制程越先進(jìn)，收益效果越明顯。對于5nm芯片系統，當產(chǎn)量達到2千萬(wàn)時(shí)，多芯片架構才開(kāi)始帶來(lái)回報。

　　戴偉民也表示，不是所有芯片都適合用chiplet的方式，不要為了拆分而拆分，不少情況下單顆集成的系統芯片（SoC),如基于FD-SOI工藝集成射頻無(wú)線(xiàn)連接功能的物聯(lián)網(wǎng)系統芯片，更有價(jià)值。

　　”平板電腦應用處理囂，自動(dòng)駕駛域處理器，數據中心應用處理器將是Chiplet率先落地的三個(gè)領(lǐng)域。也是解決chiplet‘雞’和‘蛋’的問(wèn)題的原動(dòng)力?！?/p>

　　也就是說(shuō)，雖然Chiplet有能力延續摩爾定律，但對于絕大多數不太先進(jìn)的芯片公司而言，是沒(méi)有必要早早就為芯片萬(wàn)能膠買(mǎi)單。因此也就能夠理解，為何UCIe產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟是由幾家芯片巨頭攜手共建的了。

　　但不可否認的是，性能、功耗和面積的升級依然是芯片界向前發(fā)展的目標，隨著(zhù)越來(lái)越多的終端產(chǎn)品開(kāi)始用得起更加先進(jìn)的工藝制程時(shí)，芯片萬(wàn)能膠主流時(shí)代就不會(huì )再遙遠。

　　會(huì )有那么一天，但芯片萬(wàn)能膠的復用能力達到一定水平時(shí)，就有能力完全戰勝晶體管集成了。