Chiplet 潮流中，誰(shuí)是贏(yíng)家？

大型芯片制造商專(zhuān)注于小芯片，將其視為將更多功能集成到電子設備中的最佳途徑?，F在的挑戰是如何拉動(dòng)芯片行業(yè)的其他部分，為第三方小芯片創(chuàng )建一個(gè)市場(chǎng)，可以使用特定標準從菜單中進(jìn)行選擇，這些標準可以加快上市時(shí)間，幫助控制成本，并像內部開(kāi)發(fā)的芯片一樣可靠。

到目前為止，第三方小芯片使用一直斷斷續續。普遍的共識是，第三方小芯片市場(chǎng)將在某個(gè)時(shí)候蓬勃發(fā)展，部分原因是購買(mǎi)小芯片比構建它們更便宜，前提是有足夠的互操作性標準。最大的未知數是，與內部開(kāi)發(fā)的小芯片相比，這些小芯片的性能如何，這反過(guò)來(lái)又會(huì )影響采用的速度、可用的市場(chǎng)機會(huì )總量以及隨后的市場(chǎng)整合速度。

這是由于幾個(gè)變量造成的。一方面，據估計，所有新啟動(dòng)的芯片設計中有 30% 至 35% 供大型系統公司內部使用。因此，這些公司不是使用現成的處理器和 IP，而是從頭開(kāi)始設計系統來(lái)優(yōu)化其內部流程或數據類(lèi)型。為這些應用開(kāi)發(fā)的一些小芯片是高度專(zhuān)業(yè)化且具有競爭力的秘密武器，但這些系統中還有許多其他功能可以由第三方小芯片開(kāi)發(fā)商開(kāi)發(fā)。

另一方面，小型聯(lián)盟正在圍繞不同領(lǐng)域形成，例如生物或汽車(chē)應用。其中一些涉及代工廠(chǎng)和 OSAT，它們開(kāi)始為本質(zhì)上是裝配設計套件制定標準，而另一些則正在有機開(kāi)發(fā)。但在所有情況下，重點(diǎn)都是基于小芯片設計的大規模生產(chǎn)，并具有可預測的產(chǎn)量。

此外，與必須符合特定工藝技術(shù)的軟 IP 不同，小芯片可以在任何工藝節點(diǎn)上開(kāi)發(fā)。它們是否可以從一家晶圓廠(chǎng)互換到另一家晶圓廠(chǎng)還有待觀(guān)察。然而，混合和匹配流程節點(diǎn)的能力為更多選擇打開(kāi)了大門(mén)。例如，開(kāi)發(fā)人員可以在任何工作效果最好的節點(diǎn)上創(chuàng )建完全模擬的小芯片，而不是最先進(jìn)節點(diǎn)的平面 SoC 所需的大部分數字芯片和一些模擬芯片。這開(kāi)辟了一個(gè)基于 PPAC 的全新潛在市場(chǎng)。

小芯片代表了自摩爾定律誕生以來(lái)最根本的轉變之一。這個(gè)想法已經(jīng)存在了數十年，但在 finFET 推出之前，平面微縮的好處始終超過(guò)了改造供應鏈、設計和制造工藝、更新或添加新設備以及因故障而造成的中斷所帶來(lái)的巨大挑戰。所有這些仍然是一個(gè)巨大的挑戰，也是難以預測變化速度的主要原因之一。

AMD、英特爾和 Marvell 等大型芯片制造商已經(jīng)證明小芯片的有效性，并且他們正在從其開(kāi)創(chuàng )性工作中獲益。但如果歷史可以說(shuō)明事情將如何演變，那么這些公司自己開(kāi)發(fā)所有本質(zhì)上硬化的知識產(chǎn)權在經(jīng)濟上并不有利。這是他們支持新的互操作性標準（尤其是 UCIe）并推廣商業(yè)市場(chǎng)理念的原因之一。此外，各個(gè)政府機構還制定了利用現成的商用小芯片，作為加快上市時(shí)間并最終降低成本的一種方式的目標。

圖 1：NIST 的小芯片架構。來(lái)源：美國國家標準技術(shù)研究所

盡管如此，正如這些初始實(shí)現所證明的那樣，集成小芯片和組裝它們比聽(tīng)起來(lái)要困難得多。大型芯片制造商通過(guò)構建小芯片的底盤(pán)來(lái)實(shí)現這一目標。這允許在特定參數內設計小芯片，例如面積、噪聲（電磁、功率、基板等）、互連位置、材料相互作用和許多其他特性。但他們也使用一組對他們的設計很重要的狹窄參數來(lái)解決問(wèn)題。

圖 2：AMD 的 EPYC Gen 4 處理器使用小芯片來(lái)實(shí)現不同應用的可擴展性。來(lái)源：AMD/2023 年熱門(mén)芯片

圖 3：英特爾基于計算小芯片及其多芯片互連橋 (EMIB) 的可擴展至強架構。來(lái)源：英特爾/Hot Chips 2023

英特爾的小芯片方法類(lèi)似。Advantest America 負責美國應用研究和技術(shù)的副總裁 Ira Leventhal 表示：「即使你有一套能夠很好地協(xié)同工作的小芯片指南，你仍然會(huì )遇到各種工藝變化、封裝變化等等。您可以提供芯片匹配和支持左移等功能，以便更快地發(fā)現缺陷，這樣就不會(huì )產(chǎn)生大量的包裝成本和廢料。但在這個(gè)更復雜的環(huán)境中，如何優(yōu)化產(chǎn)量？這確實(shí)很重要，即使您有一組可以一起發(fā)揮作用的最佳事物。需要在各個(gè)步驟中采取更多措施才能完成這一任務(wù)?！?/span>

小芯片還被高度針對性地用于其他設計，由 OSAT 將它們集成到先進(jìn)的封裝中。在這種情況下，它們就像 加密 IP 一樣使用，而不是作為基于芯片的設計的一部分。

「我們看到我們的客戶(hù)使用小芯片進(jìn)行高性能計算以及網(wǎng)絡(luò )交換機，」日月光高級工程總監歐力在最近的 CHIPCon 小組會(huì )議上表示?！杆麄冴P(guān)心性能和信號完整性。例如，您可以使用光纖 I/O 來(lái)替代高速 SerDes。因此，現在小芯片正在多個(gè)市場(chǎng)和多種應用中使用，并且未來(lái)的采用率將會(huì )越來(lái)越高?！?/span>

對于商業(yè)市場(chǎng)，關(guān)于小芯片如何準確表征的標準仍在制定中。盡管如此，這種方法還是有一些明顯的優(yōu)點(diǎn)。由于小芯片比光罩尺寸的 SoC 更小，因此良率通常更高。真正的集成挑戰來(lái)自小芯片的外部。還存在一些挑戰，包括如何在組裝后單獨測試和檢查它們，以及如何測量芯片移位等內容。例如，特定用例的動(dòng)態(tài)功率密度可能會(huì )因電阻和靜態(tài)漏電流而增加熱量。這反過(guò)來(lái)會(huì )導致翹曲，從而對將小芯片固定到位的鍵產(chǎn)生壓力。處理所有這些問(wèn)題需要新的流程來(lái)在設計周期的早期解決這些問(wèn)題，以及新的設備和全新的工藝步驟。

Chiplet 的優(yōu)勢

使用 Chiplet 有三個(gè)主要原因。

首先，無(wú)論工藝節點(diǎn)如何，它們都可以混合和匹配，這顯著(zhù)降低了開(kāi)發(fā)半導體器件的成本?！鸽S著(zhù)這些特定領(lǐng)域的架構越來(lái)越專(zhuān)業(yè)化，如果它真正推動(dòng)我們?yōu)槊糠N架構采用差異化技術(shù)，它有可能對晶圓廠(chǎng)、設備制造商和生態(tài)系統的其他部分產(chǎn)生巨大的顛覆性，」他說(shuō)。Lam Research 計算產(chǎn)品公司副總裁 David Fried 在 SEMI 最近舉行的關(guān)于計算未來(lái)的小組討論中發(fā)言?！溉绻慊仡?15 到 20 年前，當單片集成節點(diǎn)一個(gè)接一個(gè)地緩慢前進(jìn)時(shí)，我們將異構集成所需的一些流程創(chuàng )新視為附加的。但現在，如果你看看到達下一個(gè)節點(diǎn)的成本，特別是單片集成的成本，那么突然之間這些異構集成過(guò)程似乎真的很便宜?！?/span>

其次，小芯片可以換入或換出設計，以針對特定領(lǐng)域和應用進(jìn)行定制。這使得芯片制造商能夠創(chuàng )建高度針對特定應用的設計，為更特定的領(lǐng)域和用例定制類(lèi)似的芯片，無(wú)需從頭開(kāi)始重新創(chuàng )建所有內容即可更新它們，并添加比單個(gè)芯片上可用的更多功能。

英特爾硅架構工程師 Swadesh Choudhary 表示：「當我們期待擁有不同的技術(shù)節點(diǎn)時(shí)，我們可以將它們混合搭配在一起，并將一些模擬內容保留在比最新技術(shù)更穩定的技術(shù)中。您可以將不同的加速器與相同的計算引擎集成，并可能通過(guò)針對不同應用程序的定制包加快上市時(shí)間。通過(guò)封裝中的小芯片，您可以更輕松地做到這一點(diǎn)?！?/span>

小芯片的第三個(gè)主要好處是，即使是首次設計，它們也可以顯著(zhù)加快上市時(shí)間，從而使芯片制造商能夠更快地進(jìn)入市場(chǎng)。

「歸根結底，問(wèn)題在于 PPA 和上市時(shí)間，」Amkor Technology 的小芯片/FCBGA 集成副總裁 Mike Kelly 說(shuō)道?！高@從高端開(kāi)始。數據中心的人員首先推動(dòng)了它，也許也是最困難的。但它正在滲透到我們今天看到的每一個(gè)計算機類(lèi)中，數據中心、個(gè)人電腦市場(chǎng)和手機市場(chǎng)。汽車(chē)正變得計算密集型，并面臨著(zhù)與其他汽車(chē)相同的限制?，F代節點(diǎn)價(jià)格昂貴，晶圓成本也很高。你可以通過(guò)突破真正高性能的部件來(lái)管理它。這是一條很長(cháng)的 S 曲線(xiàn)但它肯定是在向新的地方過(guò)渡?！?/span>

并且有充分的理由。Synopsys 首席戰略官 Antonio Varas 在 SEMI 活動(dòng)上指出，目前只有約 35% 的芯片設計項目按計劃進(jìn)行，約 25% 的項目在首次硅片上就取得了成功。與此同時(shí)，需求每年以 9% 至 11% 的速度增長(cháng)，而供應量則以 7% 至 9% 的速度增長(cháng)。到 2030 年，需求預計將增長(cháng) 17%，這主要是因為半導體被用于各種新市場(chǎng)和新應用。

挑戰

這就是小芯片發(fā)揮作用的地方，要使這一切順利進(jìn)行，需要在各個(gè)層面制定標準——而這只是一個(gè)開(kāi)始。

「你肯定需要標準，」臺積電現場(chǎng)技術(shù)解決方案副總裁 Paul Rousseau 說(shuō)?！高@就是 3DFabric 和 3Dblox 背后的整個(gè)理念，并且有多個(gè)層次。其中一個(gè)級別是 EDA 端或 I/O，UCIe 正在成為芯片間通信的標準。除非有巨大的好處，否則為什么要使用不同類(lèi)型的 I/O？另一件事是在硅本身或封裝上。挑戰之一是每個(gè)人都有一個(gè)奇特的想法。這需要大量的開(kāi)發(fā)時(shí)間才能證明。因此，我們正在努力讓人們采用標準解決方案。這就是我們對硅所做的事情。我們有設計規則和模型，我們知道會(huì )起作用。封裝也有同樣的目標。這并不是每次都重新發(fā)明輪子?！?/span>

最初，這意味著(zhù)商用小芯片的選擇更加有限。但這是否意味著(zhù)不太優(yōu)化的設計更難確定，因為將 SoC 分解為不同的強化功能可以讓設計團隊更輕松地確定這些功能的優(yōu)先級并劃分設計。如果有標準來(lái)規定不同的芯片如何組合在一起以及如何測試它們，那么隨著(zhù)時(shí)間的推移，它們可能會(huì )比一次性的設計更加可靠。

芯片設計的重大變化之一是關(guān)注數據如何在芯片中移動(dòng)，隨著(zhù)需要處理的數據量持續增長(cháng)，這一點(diǎn)非常重要。這引發(fā)了一系列變化，例如新材料和不同的設備組裝方式?；旌湘I合是人們高度關(guān)注的領(lǐng)域之一。由于需要比標準互連更快地傳輸視頻和大型圖像，這種技術(shù)首先在圖像傳感器中實(shí)現。例如，UMC 于 2023 年 2 月與 Cadence 簽署了一項協(xié)議，提供一個(gè)可以加速這一過(guò)程的平臺，特別是對于成熟節點(diǎn)，這是許多小芯片將被開(kāi)發(fā)的地方。

舉例來(lái)說(shuō)，目前最快的一些計算機使用的組件，如商用的 ARM 內核。關(guān)鍵在于數據路徑和與內存的物理連接、軟硬件協(xié)同設計以及人工智能/機器學(xué)習的稀疏算法。隨著(zhù)計算變得更加分散，例如汽車(chē)和便攜式設備與智能城市基礎設施進(jìn)行通信，真正的價(jià)值可能不再在于誰(shuí)創(chuàng )造了最快的處理器，而更多地在于無(wú)縫連接。

更大的挑戰可能在業(yè)務(wù)方面?！竼?wèn)題是這是否會(huì )轉化為商業(yè)小芯片市場(chǎng)，您可以從第三方以低廉的價(jià)格采購它并將其集成到您的設計中，」Varas 說(shuō)?！改枰牟粌H僅是標準接口。這里有一個(gè)商業(yè)模式的問(wèn)題。如何鑒定小芯片的資格？你如何測試它們？所以標準接口將會(huì )出現。但第二部分并不像 IP 模型的演變那么簡(jiǎn)單。情況要復雜得多。這項技術(shù)可能是可行的，但它還包括商業(yè)模式、供應鏈協(xié)調等等?！?/span>

此外，商業(yè)小芯片還存在數據共享的問(wèn)題。大型芯片制造商的一大優(yōu)勢是能夠在公司內部共享數據，以便可以針對最終應用或用例優(yōu)化小芯片。不同公司之間交換數據要困難得多，因為公司非常擔心數據泄露或被盜。

「有數據安全，也有數據共享，」林氏集團的弗里德說(shuō)?！高@些并不相互排斥，人們必須消化這一點(diǎn)。我們開(kāi)始打破使用云來(lái)完成我們害怕使用云的事情的障礙。我們正在努力解決的是數據共享以獲得更高的價(jià)值。飛機就是一個(gè)例子。這些飛機的所有者與飛機發(fā)動(dòng)機制造商共享數字孿生和數字線(xiàn)程的維護記錄和數據，并且他們可以對故障進(jìn)行建模并進(jìn)行預測性維護。航空航天行業(yè)的一些公司正在與所有這些不同的公司共享其產(chǎn)品的私密數據，這對所有這些公司都有好處。這種情況在我們的行業(yè)中并沒(méi)有發(fā)生太多。這種情況發(fā)生在銀行業(yè)，就像當你刷信用卡時(shí)，它會(huì )立即檢查是否存在欺詐行為。這些模型建立在來(lái)自多個(gè)不同銀行的數據之上，并且全部聯(lián)合在一起。這就是我們作為一個(gè)行業(yè)失敗的地方，因為我們在整個(gè)生態(tài)系統的數據共享方面落后于銀行業(yè)和航空航天業(yè) 10 年?！?/span>

系統與芯片

設計方面還存在其他挑戰。將小芯片集成到封裝中使設計問(wèn)題遠遠超出了單個(gè)芯片的范圍?，F在它是需要協(xié)同工作的芯片的集合，并且不再由單個(gè)團隊在一個(gè)地點(diǎn)開(kāi)發(fā)。

「我們已經(jīng)從設計芯片轉向設計系統，」Synopsys 的 Varas 說(shuō)道?！肝覀冋谔幚砣齻€(gè)主要問(wèn)題。我們有新的復雜性向量，這需要系統設計的并行化。而且我們還缺乏人才。如今，60% 的 EDA 用戶(hù)是經(jīng)典半導體公司。另外 40% 是超大規模企業(yè)、初創(chuàng )公司以及 ASIC 或 IP 供應商。2019 年至 2022 年間，先進(jìn)芯片的設計啟動(dòng)數量增加了 44%，但不斷擴大的生態(tài)系統也加劇了碎片化。有更多的選擇和復雜性，這增加了設計的破壞性?！?/span>

日月光公司的李對此表示同意?！冈O計師需要采取與過(guò)去不同的做法，過(guò)去以 PCB 為中心，使用 GUI 為主的設計工具，」她說(shuō)?！杆麄儾恍枰O計扇出或有源中介層。因此，舊的封裝設計人員現在必須管理 LVS（布局與原理圖）、CRV（約束隨機驗證）測試的 IC 級工具，并可能運行一些 SIPO（串行輸入/并行輸出）分析。我們需要與客戶(hù)擁有相同的波長(cháng)。此外，封裝變得越來(lái)越大，為了控制翹曲，需要材料和工藝技術(shù)的創(chuàng )新。我們需要擁有已知良好的芯片、已知良好的模塊，并且我們需要進(jìn)行多次測試插入以確保每個(gè)過(guò)程都良好并且能夠產(chǎn)出。最后，組件級測試將不再通過(guò)，這就是我們采用和實(shí)施系統級測試的原因?！?/span>

結論

Chiplet 在某個(gè)時(shí)候將會(huì )變得普遍。根本沒(méi)有足夠的體積來(lái)支持縮小芯片上所有部件的成本，最終公司將專(zhuān)注于他們最擅長(cháng)的事情，并讓其他人開(kāi)發(fā)對競爭力或差異化沒(méi)有貢獻的組件他們的產(chǎn)品。

主要問(wèn)題（至少在最初）與尋找將小芯片集成到設備中的標準方法有關(guān)，確保它們隨著(zhù)時(shí)間的推移按預期工作，以及如何共享數據以便行業(yè)能夠快速發(fā)展。其中包括業(yè)務(wù)和技術(shù)問(wèn)題，而且數量很多。盡管大型芯片制造商基本上都在單干，但隨著(zhù)成本受到嚴格審查，以及競爭為一些零部件創(chuàng )造了公平的競爭環(huán)境，這種情況將發(fā)生變化。但所有這些因素變化的速度有多快，以及是什么提供了競爭優(yōu)勢，將因市場(chǎng)、公司以及整個(gè)行業(yè)突然出現的技術(shù)、商業(yè)和地緣政治的新發(fā)展而有所不同。

Chiplet 的方向是明確的，有足夠的力量在推動(dòng)它。但在短期內，甚至可能更長(cháng)時(shí)間內，時(shí)機、獨特的挑戰和生態(tài)系統合作仍將更加難以應對。