Chiplet究竟能否解决我国卡脖子难题？

Original 杜芹半导体行业观察

2020年7月8日，具有历史意义的一天，作为AI计算架构的代表英伟达市值达到2480亿美元，超过传统计算架构寡头Intel 2460亿美元市值，而五年前，英伟达的市值仅为Intel的1/10。这预示着新架构和新产业正势不可挡的快速崛起。

作为一种芯片级IP整合重用技术，Chiplet技术近年来受到广泛的关注。与传统的单芯片（Monolithic ASICs）集成方式相比，Chiplet异构集成技术在芯片性能功耗优化、成本以及商业模式多方面具有优势和潜力，为CPU、FPGA以及网络芯片等多领域芯片的研制提供了一种高效能、低成本的实现方式。Chiplet技术涉及的互连、封装以及EDA等关键技术和标准逐渐成为学术界和工业界的研究热点。

10月22日，由中国计算机协会（CCF）主办的计算领域年度盛会中国计算机大会（CNCC）在北京隆重召开，会议针对Chiplet技术特设了主题技术论坛。来自中科院、新思科技、摩尔精英等机构企业的专家学者共同探讨Chiplet技术以及对未来芯片产业的影响。

国内Chiplet的发展成果和布局

中科院计算所副研究员王颖博士在开场就谈到了Chiplet的意义。他谈到，从技术意义上来看，Chiplet是芯片生产与集成技术发展的趋势，它所依赖的2.5D封装或者3D堆叠技术具有低半径高宽带的物理连接特性，较低的数据搬运开销以及更高的晶体管集成度；从工业意义上来讲：Chiplet同时也是一种新的设计/商业模式，相比复用IP的单片SoC以及真三维芯片，Chiplet具有成本优势；再者通过复用现有Die，它还具有开发敏捷度优势；通过集成Known-good Die，能提升大规模芯片良率；另外通过异质集成还能降低对工艺的依赖。

当然Chiplet还面临着诸多挑战，例如在封装技术与生产工艺、EDA工具链、热耗散，时钟与功耗运输网络、片上互联（NoC）或Interposer上互联、Chiplet间接口与协议标准化、Chiplet模块的DFT、验证、可靠性与DFM、新的IP共享与授权模式上、体系结构设计，系统级设计的片间划分等等。因此，Chiplet的发展还需要产业界的共同努力。

中国科学院计算技术研究所研究员韩银和就《机器人专用处理器-多智能处理的异构架构和集成》主题发表了精彩的演讲。他讲到，随着摩尔定律迟缓，需要更多结构创新，图灵奖得主David Patterson的研究也表明芯片体系结构的黄金时代正在来临。而具体到机器人领域上，机器人处理器是一个全新的芯片种类，他需要支持机器人应用所涉及到的主要功能的加速。我们也正在机器人专用处理器领域进行探索，并开发出了多款芯片。

“机器人处理信息的流程，可以抽象为感知-判定-决策-行动四个步骤，我们提出了Dadu、Dadu-P、Dadu-CD等多种异构并行架构，从宏观上的路径规划，以及微观上的关节控制计算两个核心步骤上着手，加速机器人上运行的核心处理步骤。Dadu机器人处理器路线图分为4代，第一代机械臂以CPU、CNN和关节运动为主，目前已流片；第二代主要是无人机，侧重在运动规划，验证芯片已流片，新版本正在开发中；第三代则是服务机器人，采用CPU和OODA，相关的验证芯片正在设计中；第四代将属于认知机器人范畴，或许将采用新器件新集成的方法，我们也正在探索用Chiplet集成的方法，快速扩展芯片功能，降低芯片设计周期和制造成本。”韩银和在会上介绍到。

在韩银和看来，专用处理器是星星之火，专用处理器种类型多了，也能成燎原之势，弥补我们在通用处理器上的不足。

据Gartner预测，到2023年，计算产业的规模将超过2万亿美元。这2万亿美元不是延用传统架构的计算产业，而是突破能效墙、散热墙、优化墙、内存墙、高速IO墙的基于系统架构、晶圆拼装工艺创新的增量市场。

在立足国情扬长避短，谋求与美国同位乃至错维竞争的问题上，国家数字交换系统工程技术研究中心研究员刘勤让指出，需最大程度的发挥芯片技术在新结构、新计算、新互联以及新集成上的后发优势，同时要充分兼顾国内在加工、封装、测试和工具上的实际水平，以此来探索工艺与体系协同迭代的创新。因此，在深刻剖析集成电路发展困局的基础上，结合软件定义体系结构创新成果，软件定义晶上系统（SDSoW）提出。

刘勤让讲解到，SDSoW从互连密度驱动智能涌现出发，用TCB集成代替PCB集成，实现3个数量级的互连密度提升；联合体系结构的创新，用晶圆级资源倍增软件定义的功能、性能和效能增益，实现1~3个数量级的性能和效能增益。通过软件定义晶上系统的创新，在体积、带宽、延迟、功耗、等方面可以获得4~6个数量级的综合增益，由此带动集成电路从片上系统迈入晶上系统新时代，并全面刷新新型基础设施的技术物理形态。

此外，SDSoW还将催生新经济性的衡量指标和商业模式。现在靠卖物化的芯片来获得利润，目前主要以芯片设计/流片的费用对比芯片的预期销售规模作为经济性衡量指标；未来则是靠卖云化的服务获得利润，以芯片设计/流片的费用对比芯片的预期服务次数作为经济性衡量指标。服务模式在发生转变，微电子技术经济性的边界也在转变，因此，我们需要探索出一条以“新赛场、新赛道”实现一流系统的集成电路发展的新道路。

新思科技高级技术经理王迎春的演讲主题为《DesignWare Die-to-Die PHY Solution for Chiplet》。他介绍了Chiplet的典型的应用场景，如Scale SoC, Split SoC和异构计算等，以及与之适配的Synopsys DesignWare PHY IP solution，重点说明了PHY IP的技术指标对这些系统应用的意义。同时，简要介绍了PHY IP的结构，完整的Chiplet设计流程和测试方案。Synopsys有最新的3DIC Compiler，这也是行业内第一个完整的Chiplet设计平台，具备360^o视角的3D视图，支持2.5D/3D封装设计和实现的自动化和可视化，同时面向供电、发热和噪声进行优化。

在摩尔精英董事长兼CEO张竞扬看来，Chiplet无疑是未来芯片行业最重要的趋势之一，这与整个电子和半导体产业的分工协作是一脉相承的。尤其是Foundry和IP授权模式的诞生，承担了产业链一头一尾的工作，大大降低了半导体产业的推入门槛。而随着芯片定制成本攀升和碎片化市场的矛盾不断凸显，芯片行业需要大幅提升芯片研发效率。回看“摩尔定律”其实暗藏伏线，其中一条路是按照每18个月集成度翻倍发展，另一条没被大家关注的路径是，通过封装的形式将小功能模块合在一起，可能是更经济的方式。

“Chiplet推广困难重重，六大要素互为因果。第一个是市场需求和采购不明确，不明确的原因是Chiplet的分工和互联标准还没有确认，因为没有这些标准就没有稳定多样的Chiplet供给，而对于SiP封装设计和整合方面又面临着软件、模型和平台上的难题，再就是现在还不具备柔性快速生产能力，最后就是品质管控和保险赔付问题比较复杂。”张竞扬指出。

好在中国2000多家芯片公司中，有很多小公司愿意尝试新的服务模式。而摩尔精英也正在探索建立一个SiP的平台，通过严选的SiP芯片、借力现有的KGD裸片过渡，统一芯片生产和品质控制，建立一站式Chiplet研发、生产、销售协作平台，从而能让更多的芯片企业享受到SiP设计和柔性生产的服务。

中国科学院微电子研究所研究员王启东针对《Chiplet与异质集成-摩尔定律延续的一些思考》的主题做了报告。王启东讲到，Chiplet与异质集成有本质区别：Chiplet的发起者主要是IDM和Foundry，如AMD和Intel，Chiplet主要解决Foundry的制造和成本问题，解决IDM的产品差异化问题，解决off-the-shelf的多品种小批量问题。而异质集成的发起者主要是OEM和Packaging house，对于数字、模拟、射频、电源、天线等芯片来说，小型化、高功能化，一体化将是最终诉求。

Chiplet的技术内涵其实是一个自上而下的革命，通过先进封装技术如2.5D/3D TSV封装、Fanout封装、先进功能性基板等，结合标准的接口、协议形成Chiplet。但如前文所说，Chiplet在设计和制造等方面还面临诸多挑战，据王启东介绍，微电子所的先进封装平台华进半导体是一家以先进封装/系统集成技术研究与开发为主的企业化独立运营的国家级研发平台。目前中科院微电子所拥有Chiplet所需的先进封装技术，覆盖了设计、仿真、制造、测试的链条环节，希望与国内企业、院所一道开发标准接口与协议，打造国内基于Chiplet的生态。

Chiplet能否有利于解决芯片行业卡脖子难题？

中科院计算所副研究员王郁杰博士主持了最后的圆桌会议，会议中针对“Chiplet设计技术是不是未来芯片敏捷开发的使能技术？对芯片的设计流程有何影响？Chiplet是否有利于我国摆脱现有EDA与芯片制造行业卡脖子现状？国内Chiplet制造、集成与封装技术的现状与未来？”这几个问题，几位演讲人展开了激烈的讨论。

刘勤让认为Chiplet是对整个设计、技术以及产业形态的重塑，无论是从成本、摩尔定律的困局以及未来的云化服务商来看，Chiplet是技术和产业双重需要的发展趋势，这对我们摆脱现有困局具有现实意义。

王迎春也认为，从EDA发展的角度来看，Chiplet的发展是必然的趋势，国际诸多组织都纷纷在Chiplet上发力。但EDA的创新是在核心基础创新，解决卡脖子的问题不仅仅在Chiplet上，在EDA的布局布线、逻辑综合以及最底层的算法上都要有创新。当下芯片行业备受重视，人才不断涌进芯片行业，这对我们来说是一大利好。

张竞扬指出，解决卡脖子问题不是把别人的手挣脱开，而是Chiplet可以孕育出更多创新的应用。全球芯片产业为4600多亿美金，而全球GDP有80多万亿美金，还有很多芯片应用场景待开发。目前包括智能家居和机器人在内的诸多应用，按照今天的芯片设计成本攀升曲线，短期内是很难大规模普及的。如果能通过Chiplet技术，大幅降低芯片的成本，再借助中国的生态优势，打通更多的碎片化应用场景，则能产生更多的订单，进一步扩大中国的消费市场。

王启东表示，Chiplet可以缓和目前卡脖子的现状，但它并不能从根本上解决这个问题。从系统应用角度来看，Chiplet可以支持大家百花齐放。而在关键的CPU、GPU、FPGA以及模拟工艺、特色工艺来看，集成电路的先进工艺技术仍是必修课，需要工艺人员的不懈努力解决高端制造问题，并与前端的IP、EDA进行互动形成协同的发展才可以解决现在的问题。

王颖认为，长远来看，Chiplet技术确实是一项很重要的形式，但并不会完全替代PCB这样的集成技术。对于当前卡脖子问题，Chiplet作为权宜之计，可以通过异质集成弥补先进IC工艺短板，追求系统级的效能优势，但不能从根本上解决问题，因为到新赛道之后，还是要考验核心技术，例如Chiplet设计方法涉及的2.5D,3D集成制造技术，三维版图设计、电源网络、物理设计仿真等EDA技术。他期待有机构和工业界联合起来，通过开源与标准化组织方式，率先把Chiplet设计模式所需的重要物理IP或者接口协议标准搭建起来，让大家在上面做迭代，真正在Chiplet的赛道上避免卡脖子问题。

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