Chiplet是什么？Chiplet、 SoC、SiP的區(qū)別在哪？

當(dāng)一項顛覆性技術(shù)問世的時候，誰能搶占先機占領(lǐng)制高點，誰就擁有了霸權(quán)力量。

就在ChatGPT推動人工智能技術(shù)即將來到奇點的時候，美國出手將浪潮、 龍芯列入實體清單。這明顯是在壓制中國人工智能產(chǎn)業(yè)。

那本土企業(yè)如何破局，

Chiplet概念成了市場關(guān)注的焦點。

Chiplet到底有沒有這般魔力？今天咱們就來聊聊這個話題。

Chiplet是什么

Chiplet是一種全新的芯片設(shè)計理念為了便于理解，咱們先來看看目前的芯片是怎么設(shè)計出來的。

大家會經(jīng)常聽到SoC這樣一個芯片代名詞。它是把很多的功能模塊，比如CPU、存儲器、接口這些通通集成在一個芯片上，做成一個大芯片。

而Chiplet呢，與SoC反其道而行之，字面上翻譯叫做“芯?！?，可以理解為小芯片的意思。

在Chiplet設(shè)計理念下，是將原本SoC中的每個功能模塊都單獨拆出來，做成具有單獨功能的一個個小芯片單元。

之后，通過先進(jìn)封裝技術(shù)，像搭積木一樣，把這些小芯片再集成為一個系統(tǒng)級芯片。

Chiplet、SoC、SiP區(qū)別

SoC（system on chip）叫做片上系統(tǒng)。是圍繞CPU，將各種功能模塊都集成在一顆芯片上的產(chǎn)物。

而Chiplet則不同，是先將各個功能模塊做成小芯片，之后再封裝到一起，組成系統(tǒng)級芯片。

表面上看，似乎只是制造工序的區(qū)別，其實Chiplet與SoC本質(zhì)的不同是“異構(gòu)異質(zhì)”。

異構(gòu)集成，指的是可以將不同工藝的芯片集成到一起。

在SoC中，由于是在一個芯片中進(jìn)行集成的，所以各個功能模塊必須采用同一工藝制程，要是14nm的都是14nm的，要是7nm的都得是7nm的。

而在Chiplet模式下，不同工藝的芯片可以湊到一起。比如CPU用7nm的，接口芯片用14nm的。這就是異構(gòu)的概念。

異質(zhì)集成，是指不同材料的芯片可以集成為一體。SoC肯定是辦不到的。而Chiplet模式下，可以將Si、GaN、InP等等不同材質(zhì)的小芯片集成到一起。

我們再來說說Chiplet與SiP的區(qū)別

SiP（system in package）指系統(tǒng)級封裝。通過將多種功能的芯片，包括處理器、存儲器、FPGA等功能芯片集成在一個封裝內(nèi)，從而實現(xiàn)一個完整的系統(tǒng)。

在概念上來講，SiP與Chiplet很像。并且SiP同樣能夠?qū)崿F(xiàn)異構(gòu)異質(zhì)集成的。而它們兩者的區(qū)別在于，SiP是將不同芯片封裝在一個基板上，Chiplet則是封裝到芯片上。

因此，Chiplet還是屬于芯片，而SiP只能算作小系統(tǒng)。Chiplet能達(dá)到SoC的性能 而SiP則不一樣，因此Chiplet多用于高性能領(lǐng)域，SiP多用于小型化消費級產(chǎn)品。

Chiplet的存在價值

了解了Chiplet的概念，可能有人會說，相比SoC，Chiplet工序既繁瑣、又無法完全超越SoC的性能，這不是脫褲子放屁多此一舉嘛。

而Chiplet確實有它存在的意義，主要分如下這么幾點：

1. 提升良率： 在芯片制造過程中，一片晶圓有固定的缺陷率。遇到這些無法修復(fù)的壞點，只能把它剔除掉。

在同樣缺陷分布的情況，切割裸片的的尺寸越大，缺陷的影響率就越高。

SoC是在一整顆芯片上進(jìn)行集成的，所以單顆SoC芯片的尺寸會隨著集成規(guī)模的擴大而越來越大。

當(dāng)一顆芯片的尺寸達(dá)到400甚至600平方毫米時，芯片的良率就會變的很低。這個時候，采用Chiplet模式，將大芯片拆成一個個小芯片的制造成本就會有優(yōu)勢。

在這種現(xiàn)實情況下，Chiplet或許是一個必然趨勢。

芯粒復(fù)用：

在系統(tǒng)級芯片上，很多功能模塊都是標(biāo)準(zhǔn)化的。那么在Chiplet模式下，應(yīng)商就可以生產(chǎn)出很多標(biāo)準(zhǔn)化的芯粒，下游客戶直接購買芯粒進(jìn)行封裝就可以了。

這就相當(dāng)于芯粒的重復(fù)使用，無形中降低了開發(fā)難度，提升了效率。

此外，Chiplet模式具有異構(gòu)集成的特點。有時候一顆高性能芯片，只需要CPU滿足更高制程，其他芯片制程低一些沒關(guān)系。

在SoC中，所有功能模塊都得跟著最高制程走。而在Chiplet模式下就可以區(qū)別配置。

比如AMD在第三代銳龍（Ryzen）處理器上就沿用了第二代霄龍（EPYC）處理器的I/O芯片。

由于SoC上所有功能模塊需同步迭代，伴隨制程提高，芯片設(shè)計成本隨之大幅增長。

在工藝節(jié)點為 28nm 時，單顆芯片設(shè)計成本約為 0.41 億美元，而工藝節(jié)點為 7nm 時，設(shè)計成本快速提升至 2.22 億美元。

Chiplet模式下，芯?？梢赃x擇性迭代，這種復(fù)用的結(jié)果會明顯節(jié)約設(shè)計成本、縮短研發(fā)周期。

落后制程彎道超車：

目前Chiplet具有兩個設(shè)計思路。一個是按照功能將不同模塊拆分，比如AMD的三代銳龍?zhí)幚砥鳌?

還有一種設(shè)計架構(gòu)是把具備完整功能的小芯片集合起來，目的是實現(xiàn)性能的增長。

比如蘋果的M1 Ultra芯片，就是堆疊了兩顆M1 Max芯片，從而獲得兩倍算力。 那么在第二種思路下，理論上可以通過Chiplet的堆疊，讓低端產(chǎn)品實現(xiàn)高端產(chǎn)品的性能。

目前美國對中國高端制程芯片的封鎖很嚴(yán)密，那我們就采用Chiplet技術(shù)，拿14nm、28nm的芯片堆出7nm、5nm的效果。所以這也是Chiplet概念近期炒作的邏輯之一。

Chiplet與封裝技術(shù)

Chiplet只能說是一種芯片的設(shè)計理念，真的要把一個個芯粒拼裝在一起，關(guān)鍵得看封裝技術(shù)能不能跟得上。

2.5D和3D先進(jìn)封裝，是配合Chiplet的工藝手段。

2.5D封裝，是目前應(yīng)用于Chiplet模式的主流方案，整體技術(shù)相對比較成熟。

什么是2.5D封裝？說白了就是把一個個芯粒并列排布封裝在一起。

不同芯粒之間如何實現(xiàn)互聯(lián)互通，需要在下層PCB板與上層芯粒間，加入一片硅中介板（Silicon Interposer）。

硅中介板本身沒什么特別的，類似于一顆沒有功能的晶圓。但難點在于，要在Interposer內(nèi)部做很多硅通孔（TSV），起到電氣垂直互聯(lián)的作用。

這個工藝難度還是不小的。目前2.5D封裝代表技術(shù)有三種，分別是臺積電的CoWoS、英特爾的EMIB以及三星的I-Cube。

3D封裝相比2.5D能夠?qū)崿F(xiàn)更高密度的堆疊。相比2.5D，小芯片可以直接摞在一起，這就需要在小芯片內(nèi)直接制作硅通孔（TSV）。因此難度更大。

目前3D封裝技術(shù)還不是很成熟。比較完善的是應(yīng)用在DRAM領(lǐng)域，可以實現(xiàn)100多層的上下堆疊，但這都是同質(zhì)范疇的，異質(zhì)堆疊還沒那么快。

3D封裝技術(shù)目前主要有臺積電的SoIC、英特爾的Foveros、三星的X-Cube?？吹?jīng)]，還是這三家公司。它們的共同特點是都有晶圓制造能力，利用卡位優(yōu)勢，開發(fā)自己的先進(jìn)封裝技術(shù)。

當(dāng)然傳統(tǒng)封測廠同樣也沒閑著，在2.5D/3D封裝技術(shù)上都有布局。比如國內(nèi)通富微電、長電科技等等。

總的來說，Chiplet理想很豐滿，但需要依托封裝技術(shù)才能實現(xiàn)。

Chiplet與AIGC

這波AIGC的風(fēng)口為什么能把Chiplet概念帶起來？他們之間有兩個維度的關(guān)系。 第一點在前面文章中提到過，在美國技術(shù)封鎖的背景下，咱們有望通過Chiplet架構(gòu)去堆疊芯片的性能，支持算力基礎(chǔ)。屬于解決開脖子的邏輯。

而第二點呢，目前Chiplet模式下產(chǎn)出的芯片，只有在高性能領(lǐng)域才有切實的需求。這與人工智能需要的大算力芯片不謀而合。

前面也講到過，Chiplet概念的誕生，其實是為了解決SoC芯片越來越大、制程越來越高以后產(chǎn)生的弊端。比如良率下降、設(shè)計成本增加、研發(fā)周期更長等問題。

這里核心的矛盾點是后摩爾時代，SoC芯片再迭代下去，投入的成本與性能的增長越來越不成正比。

比如就拿芯片尺寸來說，200、300平方毫米以下的芯片，根本就不用做成Chiplet架構(gòu)，SoC芯片是最優(yōu)解。

但當(dāng)芯片尺寸來到600、800平方毫米甚至更高的時候，也許一顆SoC芯片的性能是提高了1倍、2倍，但所投入的綜合成本將是5倍、10倍的增長。這個時候Chiplet模式的經(jīng)濟效益就凸顯出來了。

而這些大尺寸、高制程的芯片，一大應(yīng)用場景就是在數(shù)據(jù)中心、AI處理器上。

也就是說AIGC如果迎來爆發(fā)式增長，那么對于算力的需求會持續(xù)擴張，AI芯片再迭代下去，Chiplet模式將成為主流。最終帶動Chiplet產(chǎn)業(yè)鏈實現(xiàn)快速增長。

根據(jù)Omdia的預(yù)測，到2024年，Chiplet的全球市場空間會達(dá)到58億美元，到2035年，市場空間將增長到570億美元，年均增速超過30%。

大家不要覺得很夸張，根據(jù)WSTS數(shù)據(jù)，2022年全球半導(dǎo)體市場規(guī)模為5735億美元。570億美元只是今天全市場的十分之一。

Chiplet模式下帶來的變化

IP核： IP是知識產(chǎn)權(quán)的意思。芯片領(lǐng)域中的IP核，可以理解為一種已經(jīng)設(shè)計好的電路模塊。

在半導(dǎo)體發(fā)展早期，沒有IP核這個概念，每設(shè)計一款芯片，電路都要重新設(shè)計。之后大家發(fā)現(xiàn)，其實芯片中有很多功能都是相似的，那能不能把這些部分變成模塊化，以后再設(shè)計芯片時，直接拿過來用就可以了。這就是IP核存在的邏輯。

現(xiàn)在要設(shè)計一款SoC芯片，設(shè)計企業(yè)會從IP供應(yīng)商那里先購買一些IP核，再結(jié)合自研模塊，集成為一個SoC。

IP核就成為了芯片設(shè)計環(huán)節(jié)中的復(fù)用產(chǎn)品。好比你要設(shè)計一款汽車，輪轂的式樣直接用別人的就可以了。

而在Chiplet下，這種產(chǎn)業(yè)鏈模式會發(fā)生變化。核心在于傳統(tǒng)的IP核只停留在設(shè)計層面，可Chiplet中，IP核可以直接變成一顆顆芯粒，這就形成了硅片形態(tài)。

還是拿汽車舉例，Chiplet模式下，IP核不再是設(shè)計層面的輪轂式樣，而是變成了實實在在制造好的汽車輪轂。

在這樣的邏輯下，以前的IP供應(yīng)商可以把手中的各種IP制造成小芯片。

這樣一來，首先，IP供應(yīng)商的收入結(jié)構(gòu)變了，以前是IP授權(quán)，現(xiàn)在是芯片銷售。由于捆綁了芯片制造環(huán)節(jié)，收入規(guī)模會增加。

其次，IP供應(yīng)商的下游客戶將從芯片設(shè)計企業(yè)轉(zhuǎn)變?yōu)樾酒苯有枨蠓?。比如互?lián)網(wǎng)公司、手機、電腦制造商這些。那相當(dāng)于IP供應(yīng)商從tier2變成了tier1，等級進(jìn)階了。

OSAT： OSAT指的是外包封測廠。Chiplet對于封測有帶動作用。

其一，之前提到，Chiplet需要先進(jìn)封裝技術(shù)的支撐。先進(jìn)封裝工藝難度大，價值量自然更高，這有益于提升封測廠的盈利水平。

其二，Chiplet模式下，伴隨著產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)的變化。未來很有可能，下游產(chǎn)品公司購買小芯片，之后直接找OSAT企業(yè)去集成芯片。對于OSAT廠相當(dāng)于拓展了優(yōu)質(zhì)客戶，同時提升了產(chǎn)業(yè)鏈的地位。

其三，把一顆大的SoC拆成幾個小的Chiplet，之前可能只測一個關(guān)鍵參數(shù)，現(xiàn)在每個小芯片都要做測試。相當(dāng)于增加了封測廠的測試需求。

當(dāng)然，外包封測廠未來面臨著晶圓代工廠的競爭，畢竟人家掌握著核心制造環(huán)節(jié)，再提供封裝服務(wù)，是順理成章的。

EDA： EDA是芯片設(shè)計的輔助軟件。隨著芯片線寬不斷縮小，EDA的作用越來越突顯。 而傳統(tǒng)EDA的思路與Chiplet模式是有些矛盾的，缺乏對于芯片與封裝之間影響的考慮。導(dǎo)致芯片在2.5D、3D堆疊封裝后效率上不去。

所以針對Chiplet，EDA也應(yīng)該考慮新的架構(gòu)。這一變化對于國內(nèi)EDA企業(yè)去追趕海外龍頭是有所幫助的。就好比國內(nèi)車企在內(nèi)燃機時代玩不過海外巨頭，但電動車咱們是一個起跑線。

當(dāng)然這個比喻太夸張了，國內(nèi)EDA企業(yè)還有很多短板要補上，不可能說一個Chiplet時代就實現(xiàn)逆襲。

Chiplet負(fù)面思考

說了那么多關(guān)于Chiplet的好，我們也要去分析分析它的難點與短板在哪里。 首先要說的是關(guān)于性能這個話題，通過Chiplet方式堆疊芯片，是可以提高性能，但目前效率不高。

按照華為之前測試的結(jié)果，拿2個14nm芯片做堆疊，只能達(dá)到10nm芯片的性能。用5個14nm的芯片，才能接近7nm水平。

這就達(dá)不到1+1=2的程度，更別提什么要拿28nm芯片就能堆出7nm的性能，想都不要想。

這里面的問題與封裝工藝有關(guān)，與EDA軟件有關(guān)，總之傳輸速率、散熱、干擾這些問題沒法完美解決。

其次是效益問題。Chiplet要用到先進(jìn)封裝，雖然目前2.5D封裝技術(shù)已經(jīng)商業(yè)化了，但封裝成本還是很高的。

我們看上面這張圖，在14nm和5nm制程下，做了不同封裝工藝的成本對比。

在14nm上，2.5D封裝比SoC成本還是高的，沒有效益優(yōu)勢。只有到5nm水平，規(guī)?；?，2.5D封裝才比SoC有更低的成本。

所以按照目前的狀態(tài)，Chiplet只能替代高制程、大尺寸的SoC芯片。應(yīng)用空間還是比較狹小的。

未來先進(jìn)封裝成本的下降決定著Chiplet的應(yīng)用范圍，但不可能達(dá)到全面替代SoC的程度。

還有就是接口標(biāo)準(zhǔn)的問題。目前Chiplet的發(fā)展比較初級，基本是自己搞自己的。而要想達(dá)到設(shè)想的終極狀態(tài)，芯粒能像IP核一樣在市場流通，所有芯片的互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)必須要統(tǒng)一起來。

目前英特爾建立了小芯片聯(lián)盟（UCIe），中國也開始制定小芯片接口技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。但中美關(guān)系或許是個羈絆，制約整個Chiplet產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

最后，還是要說說“卡脖子”這件事。如果漂亮國對咱們的技術(shù)封鎖只是小打小鬧，通過Chiplet或許我們在大算力芯片上不至于輸?shù)奶珣K。

而如果是全面打擊、晶圓制造、設(shè)備、材料、甚至EDA軟件每個環(huán)節(jié)都設(shè)置障礙，Chiplet根本沒法解決“卡脖子”問題。

對于Chiplet我們更多應(yīng)該關(guān)注的是它的產(chǎn)業(yè)趨勢，而不是把它炒作成“救命神器”。

相關(guān)企業(yè)：

前面文章提到，Chiplet模式下，對于IP核企業(yè)，以及封測企業(yè)，尤其是具有先進(jìn)封裝技術(shù)的封測企業(yè)整體上是利好的。

先說IP核企業(yè)。目前A股比較純的公司有一家，叫芯原股份。它的業(yè)務(wù)收入可以總結(jié)為兩大塊。一個是幫下游產(chǎn)品客戶定制芯片，既可以設(shè)計、也可以找代工廠生產(chǎn)。另一塊業(yè)務(wù)就是IP授權(quán)。

公司通過不斷的并購，目前已經(jīng)是全球排名第七、國內(nèi)排名第一的IP授權(quán)服務(wù)商了。

公司主要的IP核集中在GPU、NPU、DSP、VPU這些領(lǐng)域，與AI芯片是比較貼合的。

在Chiplet領(lǐng)域，公司自然有布局，是國內(nèi)首批加入UCIe聯(lián)盟的企業(yè)之一。

總的來說，從業(yè)務(wù)純度、產(chǎn)品線貼合度、以及市場的稀缺程度來看，芯原股份是比較受益Chiplet概念的標(biāo)的。

下面再來說說封測企業(yè)。由于傳統(tǒng)封測技術(shù)壁壘不高，中國已經(jīng)承接了來自全球的封測業(yè)務(wù)。在全球排名靠前的企業(yè)包括長電、通富、華天這些。

由于這些龍頭企業(yè)的技術(shù)實力靠前，在先進(jìn)封裝技術(shù)上都或多或少有建樹，因此都算Chiplet利好標(biāo)的。

這里重點說下通富微電，因為它在Chiplet上預(yù)期更好一些。

通富微電2016年收購了AMD的封測業(yè)務(wù)，從此就傍上了“大佬”，與AMD深度捆綁，承接了AMD大部分封測訂單。

而AMD算是Chiplet方案的開山鼻祖，2019年的銳龍2處理器，就使用了Chiplet架構(gòu)。也是因為Chiplet技術(shù)的加持，AMD把英特爾干的不行。

通富微電與AMD捆綁那么深，自然在先進(jìn)封裝技術(shù)上，走在了全球的前端。

目前公司已建成國內(nèi)頂級超大尺寸FCBGA研發(fā)平臺與2.5D/3D封裝平臺（VISionS）。并且已經(jīng)開始大規(guī)模生產(chǎn)Chiplet 產(chǎn)品了。

所以，在A股市場如果找先進(jìn)封裝企業(yè)，不談股性，通富微電的基本面是最純粹的。

最后總結(jié)一下。Chiplet在需求端確實會受益AIGC的發(fā)展在供給端則要看先進(jìn)封裝技術(shù)的不斷突破。

有人可能會問，為什么GPU大佬英偉達(dá)還沒有使用Chiplet？可能因為它的產(chǎn)品附加值太高了，現(xiàn)在過的還很舒服。但當(dāng)英偉達(dá)準(zhǔn)備上chiplet的時候，chiplet的大勢或許就真的來了。

審核編輯：劉清