在近期激烈的全球競爭中，國產芯片產業迎來一項重要利好，中國首個原生Chiplet 技術標準正式審定發布!

　　在12月16日舉辦的“第二屆中國互連技術與產業大會”上，由中國集成電路領域相關企業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標準化技術協會的審定并發布。

　　對中國芯片產業而言，該團體標準是中國首個小芯片(Chiplet)技術標準，意義十分重大，這無疑是一大好消息。

　　小芯片（Chiplet）技術到底是什么？

　　所謂的小芯片(Chiplet)技術，在近兩年里收到了業內的熱烈關注和探討。

　　小芯片Chiplet又被稱為“芯粒”，Chiplet將復雜芯片拆解成一組具有單獨功能的小芯片單元die(裸片)，通過die-to-die的結構將模塊芯片和底層基礎芯片封裝組合在一起。

　　Chiplet的主要優勢包括：

　　1.可以大幅提高大型芯片的良率;

　　2.可以降低設計的復雜度和設計成本;

　　3.還能降低芯片制造的成本。

　　為什么小芯片被這么多企業重視呢，原因是因為小芯片Chiplet架構在制程工藝難以進步的情況下，可以實現晶體管密度的突破，因此對于半導體行業來說非常重要。

　　早在2010年，蔣尚義先生提出通過半導體公司連接兩顆芯片的方法，區別于傳統封裝，定義為先進封裝 。

　　2015年Marvell創始人之一周秀文(Sehat Sutardja)博士曾提出Mochi(Modular Chip，模塊化芯片)架構的概念，這是芯粒早期雛形。

　　而AMD是率先將芯粒技術大規模應用于商業產品的公司之一，在第三代銳龍(Ryzen)處理器上AMD便是復用了第二代霄龍(EPYC)處理器的IO Chiplet。直到2019年，國內華為等公司也在產品中使用芯粒技術。

　　在2022年舉辦的基金委雙清論壇上，孫凝暉院士、劉明院士、蔣尚義先生等討論提出了“集成芯片”概念，也是對芯粒集成芯片的概括和定義。不過，網上也有一些值得關注的觀點。清華大學魏少軍教授指出，Chiplet處理器芯片是先進制造工藝的“補充”，而不是替代品。“其目標還是在成本可控情況下的異質集成。”

　　那么此次國內審定發布的《小芯片接口總線技術要求》中都講了哪些內容呢?

　　據悉，《小芯片接口總線技術要求》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(chip-let)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。

　　據介紹，小芯片接口技術有以下應用場景：

　　·C2M (Computing to Memory)，計算芯片與存儲芯片的互連。

　　·C2C (Computing to Computing)，計算芯片之間的互連。兩者連接方式：

　　·采用 并行單端 信號相連，多用于 CPU 內多計算芯片之間的互連。

　　·采用 串行差分 信號相連，多用于 AI、Switch 芯片性能擴展的場景。

　　·C2IO (Computing to IO)，計算芯片與 IO 芯片的互連。

　　·C2O (Computing to Others)，計算芯片與信號處理、基帶單元等其他小芯片的互連。

　　此標準列出了并行總線等三種接口，提出了多種速率要求，總連接帶寬可以達到 1.6Tbps，以靈活應對不同的應用場景以及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，實現在小芯片之間的互連互通，并兼顧了 PCIe 等現有協議的支持，列出了對封裝方式的要求，小芯片設計不但可以使用國際先進封裝方式，也可以充分利用國內封裝技術積累。

　　(《小芯片接口總線技術》標準概況圖)

　　換個角度來看，小芯片Chiplet技術其實就是模塊化的芯片技術，可以由多個不同制程、架構、功能的小芯片堆疊出全功能芯片，在半導體行業已經極為常見。此次中國發布原生Chiplet小芯片標準，無疑將推動本土半導體芯片這一領域的發展。

　　單片式SOC與Chiplet SOC的比較

　　Chiplego首席技術顧問曾在《揭秘后摩時代芯片產業方向：Chiplet技術》一文中提到，在不考慮制造成本的情況下，人們總是認為單片SOC可以比Chiplet SOC提供更好的性能和功耗。事實上，單片SOC中每個模塊都能以最小的延遲進行通信，這使得前者比Chiplet SOC的性能更好。然而，如果把制造成本作為一個芯片設計目標，那么有些單片SOC設計可能會成為一個不可能完成的任務。

　　他以AMD的64核Chiplet芯片設計為例：在7nm技術中，CPU Chiplet尺寸約為81mm^2;在12nm技術中，I/O芯片的尺寸約為125mm^2。如果采取單片設計方法，單片SOC的裸片尺寸應該在700mm^2到800mm^2之間。

　　(Chiplet與SoC的區別)

　　而在目前的EUV曝光機中，光掩模版尺寸約為858mm^2。在未來的High-NA EUV中，光掩模版可能會小于450mm^2。因此，無論采用哪種情況，AMD 64核SOC的單片設計都難以生產，即使單片設計能提供卓越的性能和功耗。如果人們仍然想以單片SOC中完成64個CPU Core的設計，只有通過減少高速緩存的大小，比如縮減一半甚至更多，這樣芯片尺寸就可以減少一半，單片SOC在7nm中可以達到400mm^2左右，但這種設計方案在生產成本方面并不合理。總而言之，在一個系統中，不同的功能和特性所需要的工藝技術往往是不兼容的。例如，DRAM和RF工藝技術與邏輯SOC就不兼容。在這種情況下，單片SOC是不可能的。如果想把這些功能塊集成到一個封裝中，Chiplet SOC是唯一的解決方案。

　　科技巨頭率先成立了Chiplet標準聯盟

　　整個芯片產業其實很早就做好了迎接Chiplet技術的準備。在今年3月，英特爾、AMD、ARM、高通、臺積電、三星、日月光、Google云、Meta(Facebook)、微軟等十大行業巨頭聯合成立了Chiplet標準聯盟(UCIe 聯盟)，正式推出了通用芯粒互連技術(Universal Chiplet Interconnect Express)。該聯盟成立的目的旨在推動Chiplet接口規范的標準化，并已推出UCIe 1.0版本規范。

　　需要指出的是，通用芯粒互連技術(UCIe)是一個開放的芯粒互連協議，旨在芯片封裝層面確立互聯互通的統一標準，滿足客戶對可定制封裝要求。通用芯粒互連技術提供了物理層和die-to-die適配器。物理層包含裸片間通信的電氣信號、時鐘標準、物理通道數量等規范，可以包含來自多家不同公司當前所有類型的封裝選項，包括標準2D封裝和更先進的2.5D封裝。隨著3D芯片封裝的推出，UCIe標準還需不斷升級，未來也將最終擴展到3D封裝互連。

　　相比之下，國內本土半導體廠商在Chiplet這一塊一直以來都比較欠缺。據了解，UCIe聯盟成員共分為三個級別，分別是發起人、貢獻者(Contributor)和采用者(Adopter)，發起人由董事會組成并具有領導作用，貢獻者和發起者公司可以參與工作組，而采用者只能看到最終規范并獲得知識產權保護。

　　目前，UCIe聯盟目前僅開放后兩個會員級別申請。此前已有芯原、芯耀輝、芯和半導體、芯動科技、芯云凌、長芯存儲、長電、超摩科技、奇異摩爾、牛芯半導體、OPPO等多家大陸企業先后宣布加入UCIe行業聯盟，隨著中國Chiplet生態圈不斷壯大，阿里巴巴也在今年8月入選了董事會成員，標志著UCIe進入一個新的里程碑。

　　有人認為，Chiplet對中國解決先進芯片技術瓶頸具有重要意義，是中國市場換道超車重要技術路徑之一。不過，清華大學教授魏少軍卻指出，Chiplet處理器芯片是先進制造工藝的“補充”，而不是替代品。“其目標還是在成本可控情況下的異質集成。”清華大學集成電路學院院長吳華強也表示，Chiplet不是先進芯片制造的替代品，但它們可能有助于中國建立“戰略緩沖區”，提高本地的性能和計算能力，以制造用于數據中心服務器芯片。

　　部分巨頭推出Chiplet相關產品

　　值得一提的是，小芯片Chiplet技術的落地并非是廠商們的空談，像英特爾、AMD、ARM等均已經推出了Chiplet小芯片架構。

　　英特爾在2021年架構日時就披露了有關其下一代至強可擴展平臺的功能，其中之一是向tiled架構的轉變。英特爾將通過其快速嵌入式橋接器組合四個 tile/chiplet，從而在更高的內核數下實現更好的CPU可擴展性。此舉也跟其他公司一樣，通過“更小的核心”或“連接在一起的單個chiplet”這兩種途徑之一，來實現更多的服務器平臺核心數量。

　　(基于Chiplet技術的芯片結構示意 圖源：英特爾)

　　此前，AMD曾推出基于臺積電3D Chiplet封裝技術的服務器處理芯片。在今年11月，AMD正式發布了采用RDNA3架構的新一代旗艦GPU——RX7900XTX和RX7900XT。AMD表示，這是公司首度在GPU產品中采用小芯片(Chiplet)技術，即臺積電的“3D Fabric”技術，也是全球首個導入Chiplet技術的游戲GPU。與使用更傳統GPU設計的RDNA2相比，該款產品擁有多達580億個晶體管，每瓦特性能提升了54%，并且提供高達61TFLOP的算力;

　　(AMD的Chiplet設計 圖源：AMD)

　　同樣，在2019年美國圣塔克拉拉舉辦的開放創新平臺論壇上，知名IP大廠Arm與臺積電共同發表業界首款采用臺積電先進CoWoS封裝解決方案并獲得硅晶驗證的7nm小芯片Chiplet系統，其中內建Arm多核心處理器。據悉，這款小芯片系統成功展現出結合了7nm FinFET制程及4GHz Arm核心所打造出的高效能運算的系統單芯片(SoC)關鍵技術，結合了臺積電創新的先進封裝技術與Arm架構卓越的靈活性及擴充性，為將來生產就緒的基礎架構SoC解決方案奠定絕佳基礎。

　　(圖片來源：臺積電)

　　GPU、FPGA市場應用潛力巨大

　　目前Chiplet已經有少量商業應用，并吸引廣大國際芯片廠商投入相關研發，在當前SoC遭遇工藝節點和成本瓶頸的情況下，Chiplet有望發展成為一種新的芯片生態。根據市場研究機構Omdia(原IHS)的預測，2024年Chiplet市場規模將達到58億美元，而到2035年則將達到570億美元。

　　其中，Chiplet在GPU、FPGA這兩個有著高算力特點發熱領域應用潛力巨大，具備芯片設計能力的IP供應商更有機會脫穎而出。但與此同時，Chipet未來充滿機遇的同時也有挑戰存在，技術層面上Chiplet面臨著連接標準、封裝檢測、軟件配合等幾方面的挑戰。

　　在連接標準上，不同供應商的Chiplet接口標準不同，比如OpenCAPI、Gen Z、CCIX、CXL等等。因此需要有統一的標準將不同制程/材質的die連接組成一個系統;封裝檢測方面，芯片間支持的帶寬大小不同對應了不同的封裝技術，選擇封裝技術的時候需要綜合考慮成本和連接性能。在檢測方面，Chiplet需要在封裝前對裸片(Die)進行測試，相較于測試完整芯片難度更大，尤其是當測試某些并不具備獨立功能的Chiplet時，測試程序更為復雜;軟件配合方面，Chiplet的設計制造需要EDA軟件從架構到實現再到物理設計全方位進行支持，另外各個Chiplet的管理和調用也需要業界統一的標準。