作者：Levin
物聯(lián)網智庫 整理發(fā)布
導讀
在摩爾定律逼近極限的今天，Chiplet的發(fā)展已是大勢所趨，也是我國半導體為數不多的反超國外的機會之一。
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)布會暨重點成果轉化簽約儀式上，國內首款基于Chiplet（芯粒）技術的AI芯片“啟明930”正式亮相。
據了解，“啟明930”為北極雄芯開發(fā)的首款基于Chiplet異構集成的智能處理芯片，該芯片采用12nm工藝生產，中央控制芯粒采用RISC－V CPU核心，可通過高速接口搭載多個功能型芯粒，并基于全國產基板材料以及2．5D封裝，做到算力可拓展，提供8～20TOPS（INT8）稠密算力來適應不同場景，目前已與多家AI下游場景合作伙伴進行測試。
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，但同時也帶來了高昂的成本。據IBS統(tǒng)計，28nm芯片的設計成本在4000萬美元，16nm芯片設計成本約1億美元，而5nm芯片的設計成本更高達5．4億美元。
再繼續(xù)發(fā)展下去，先進工藝的投入產出比已難以具備商業(yè)合理性，同時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，未來芯片設計的成本將直接“勸退”中小廠商，甚至大廠也需要摸一下自己的口袋。而Chiplet的出現則是給了整個行業(yè)一個新的思路，Chiplet技術可以將大型7nm設計的成本降低25％，5nm及以下的制程節(jié)省的成本更多，基于Chiplet架構的芯片設計理念也逐步成為后摩爾時代提升芯片性能及算力的共識。
根據Gartner預測，基于Chiplet方案的半導體器件收入將在2024年達到505億美元左右，2020－2024年間復合增速高達98％。近年來，國外廠商基于Chiplet技術在各領域都有所嘗試，利用Chiplet技術在自身CPU、GPU等通用芯片上的應用已逐步商業(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，當前AMD推出的銳龍、霄龍?zhí)幚砥鳎⑻貭栕钚碌目犷！⒅翉娞幚砥鳎际堑湫偷男⌒酒軜嫞O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、半導體制造和電路設計上的巨大想象空間。
放眼國內，在先進制程受到國外限制情況下，國產化替代進程逐漸加速，Chiplet也為國內廠商和市場開辟了新思路，是僅有的幾種可滿足國內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業(yè)在逆境中的突破口。同時，面對碎片化且預算有限的算力芯片需求，Chiplet可快速部署高性價比的工程化方案。
簡單來說，Chiplet技術就是對原本復雜的SoC芯片的解構，將滿足特定功能的裸片通過die－to－die內部互連技術與底層基礎芯片封裝組合在一起，類似于搭建樂高積木一般，最后集成為一個系統(tǒng)級芯片，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。這樣可以通過對不同功能模塊的芯片選用合適的制程工藝，從技術方面實現各功能的最優(yōu)化、成本的最小化、性價比的最大化、模塊復用的靈活化。
而在算法差異化顯著、專用化需求逐漸增強的AI領域，“啟明930”背后北極雄芯獨創(chuàng)的基于Chiplet模式的異構集成方案，通過將通用需求與專用需求的解耦，大幅降低了芯片設計投入門檻及風險，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，可廣泛應用于數據中心、自動駕駛、隱私計算、工業(yè)智能等領域。
我國需要自己的Chiplet技術標準
作為一種互連技術，Chiplet與其他很多技術類似，標準的制定對整個產業(yè)來說意義重大。就像樂高積木之所以能夠在全球風靡，其中的一個重要原因就在于其積模件的標準化。對于Chiplet來說，能否進一步向前發(fā)展，很大程度上取決于能否出現一種將不同芯片模型連接起來的標準接口。
在去年3月份，全球知名芯片制造商英特爾、臺積電、三星聯(lián)手芯片封測龍頭日月光，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準UCle，旨在為小芯片互連定制一個新的開放標準，簡化相關流程，并提高來自不同制造商的小芯片之間的互操作性。這一標準之下，芯片制造商可以在合適的情況下混合構建芯片。目前，UCIe產業(yè)聯(lián)盟的會員囊括了集成電路領域設計、制造以及用戶等上下游的上百家重要企業(yè)。
對于我國的芯片產業(yè)來說，積極擁抱國際標準是一個必選項，定制我國自己的Chiplet標準更是迫在眉睫。
早在2020年，中科院計算所就牽頭成立了中國計算機互連技術聯(lián)盟（CCITA），重點圍繞Chiplet小芯片和微電子芯片光I／O成立了2個標準工作組，并于2021年6月在工信部中國電子工業(yè)標準化技術協(xié)會立項了《小芯片接口總線技術》和《微電子芯片光互連接口技術》兩項團體標準。其中，小芯片接口標準的制定共集結了國內產業(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與產業(yè)大會”上，首個由中國集成電路領域相關企業(yè)和專家共同主導制定的《小芯片接口總線技術要求》團體標準，正式通過工信部中國電子工業(yè)標準化技術協(xié)會的審定并發(fā)布。這是中國首個原生Chiplet技術標準，對于中國集成電路產業(yè)延續(xù)“摩爾定律”，突破先進制程工藝限制具有重要意義。
這項標準描述了CPU、GPU、人工智能芯片、網絡處理器和網絡交換芯片等應用場景的小芯片接口總線（Chiplet）技術要求，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，以靈活應對不同的應用場景、適配不同能力的技術供應商，通過對鏈路層、適配層、物理層的詳細定義，實現小芯片之間的互連互通，兼顧了PCIe等現有協(xié)議的支持，并列出了對封裝方式的要求。
寫在最后
除北極雄芯等初創(chuàng)公司外，國內大廠也早已擁抱Chiplet。華為是國內最早嘗試Chiplet的一批公司；海思半導體也在早期與臺積電合作過Chiplet技術；國產芯片廠商芯動科技在一款高性能服務器級顯卡GPU上使用了INNOLINK Chiplet技術；芯片封測企業(yè)長電科技也宣布已研發(fā)成功4納米Chiplet技術，封裝面積可以達到1500mm?，并實現了系統(tǒng)級封裝，在全球居于領先地位。
在目前芯片工藝被國外“卡脖子”的情況下，很多人都認為Chiplet是我國在芯片領域彎道超車的一個機會，但不要忘了，在實際駕駛的過程中，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。芯片產業(yè)的積累也不是短時間可以完成的，Chiplet本身只是一種新的封裝理念和技術發(fā)展的思路而已，可以將不同節(jié)點工藝、不同材質、不同功能、不同半導體公司的芯片封裝在一起。而國內廠商要走“全自研”路線，仍需打磨很長時間。
不僅如此，解決Chiplet的互聯(lián)標準也只是第一步，Chiplet在國內還面臨著如何做出來以及誰來用的問題。在技術層面，Chiplet面臨著來自多個方面的挑戰(zhàn)，需要依靠國內高校等機構的科研實力，聯(lián)合國內大廠，攻克Chiplet在設計、封裝、測試等環(huán)節(jié)的一眾難題；在應用方面，也需要聯(lián)合國家重點單位、大型企業(yè)、服務器應用商、智能車企業(yè)等來協(xié)同，才能使我國的Chiplet真正實現做得出來、賣得出去。
參考資料：1．《國內首款基于Chiplet AI芯片“啟明 930”亮相西安高新區(qū)》，鳳凰網2．《“清華系”企業(yè)北極雄芯 發(fā)布首款基于Chiplet架構AI芯片》，愛集微3．《北極雄芯完成天使＋輪融資，引入眾多知名產業(yè)資本》，北極雄芯官網4．《續(xù)寫摩爾定律！國產Chiplet標準將出爐，小芯片迎來大爆發(fā)？》，物聯(lián)傳媒
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