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Chiplet新技术,延续摩尔定律

2022-10-20
来源:芯路芯语
关键词: chiplet 摩尔定律

  Chiplet 又称芯粒或者小芯片,它是将一类满足特定功能的 die(裸片),通过 die-to-die 内部互联技术实现多个模块芯片与底层基础芯片封装在一起,形成一个系统芯片,以实现一种新形式的 IP 复用。目前,主流系统级单芯片(SoC)都是将多个负责不同类型计算任务的计算单元,通过光刻的形式制作到同一块晶圆上。

  比如,目前旗舰级的智能手机的 SoC 芯片上,基本都集成了 CPU、GPU、DSP、ISP、NPU、Modem 等众多的不同功能的计算单元,以及诸多的接口 IP,其追求的是高度的集成化,利用先进制程对于所有的单元进行全面的提升。而 Chiplet 则与之相反,它是将原本一块复杂的 SoC 芯片,从设计时就先按照不同的计算单元或功能单元对其进行分解,然后每个单元选择最适合的半导体制程工艺进行分别制造,再通过先进封装技术将各个单元彼此互联,最终集成封装为一个系统级芯片组。

  Chiplet 可以大幅提高大型芯片的良率

  随着高性能计算、AI 等方面的巨大运算需求,集成更多功能单元和更大的片上存储使得芯片不仅晶体管数量暴增,芯片面积也急剧增大。芯片良率与芯片面积有关,随着芯片面积的增大而下降。一片晶圆能切割出的大芯片数量较少,而一个微小缺陷则可能直接使一颗大芯片报废。Chiplet 可将单一 die 面积做小以确保良率,并用高级封装技术把不同的芯粒集成在一起。

  Chiplet 有利于降低设计的复杂度和设计成本

  Chiplet 芯片一般采用先进的封装工艺,将小芯片组合代替形成一个大的单片芯片。利用小芯片(具有相对低的面积开销)的低工艺和高良率可以获得有效降低成本开销。除芯片流片制造成本外,研发成本也逐渐占据芯片成本的重要组成部分,通过采用已知合格裸片进行组合,可以有效缩短芯片的研发周期及节省研发投入。同时 Chiplet 芯片通常集成应用较为广泛和成熟的芯片裸片,可以有效降低了 Chiplet 芯片的研制风险,从而减少重新流片及封装的次数,有效节省成本。

  Chiplet 有望降低芯片制造的成本

  SoC 中具有不同计算单元,以及 SRAM、I/O 接口、模拟或数模混合元件等。除了逻辑计算单元以外,其他元件并不依赖先进制程也通常能够发挥很好的性能。所以,将 SoC 进行 Chiplet 化之后,不同的芯粒可以根据需要来选择合适的工艺制程分开制造,然后再通过先进封装技术进行组装,不需要全部都采用先进的制程在一块晶圆上进行一体化制造,这样可以极大的降低芯片的制造成本。以 AMD 为例,AMD 第二代 EPYC 服务器处理器 Ryzen 采用小芯片设计,将先进的台积电 7nm 工艺制造的 CPU 模块与更成熟的格罗方德 12/14nm工艺制造的 I/O 模块组合,7nm 可满足高算力的需求,12/14nm 则降低了制造成本。

  全球半导体芯片巨厂纷纷布局 Chiplet,Chiplet 未来市场空间广阔

  AMD、台积电、英特尔、英伟达等芯片巨头厂商嗅到了这个领域的市场机遇,近年来开始纷纷入局Chiplet。AMD 最新几代产品都极大受益于“SiP + Chiplet”的异构系统集成模式;另外,近日苹果最新发布的 M1 Ultra 芯片也通过定制的 UltraFusion 封装架构实现了超强的性能和功能水平,包括 2.5TB/s 的处理器间带宽。在学术界,美国加州大学、乔治亚理工大学以及欧洲的研究机构近年也逐渐开始针对 Chiplet 技术涉及到的互连接口、封装以及应用等问题开始展开研究。据 Omdia 报告,预计到 2024年,Chiplet 市场规模将达到 58 亿美元,2035 年则超过 570 亿美元,市场规模将迎来快速增长。

  UCIe:实现 Chiplet 互联标准的关键

  随着 Chiplet 逐步发展,未来来自不同厂商的芯粒之间的互联需求持续提升。今年三月份出现的 UCIe, 即 Universal Chiplet Interconnect Express,是一种由 Intel、AMD、ARM、高通、三星、台积电、日月光、Google Cloud、Meta 和微软等公司联合推出的 Die-to-Die 互连标准,其主要目的是统一 Chiplet(芯粒)之间的互连接口标准,打造一个开放性的 Chiplet 生态系统。UCIe 在解决 Chiplet 标准化方面具有划时代意义。

  借助 UCIe 平台,未来有望实现更加完整的 Chiplet 生态系统

  UCIe 产业联盟发布了涵盖上述标准的 UCIe1.0 规范。UCIe 联盟在官网上公开表示,该联盟需要更多半导体企业的加入,来打造更全面的 Chiplet 生态系统。同时,加盟的芯片企业越多,意味着该标准将得到更多的认可,也有机会被更广泛的采用。UCIe标准出现的最大意义在于,巨头们合力搭建起了统一的 Chiplet 互联标准,这将加速推动开放的 Chiplet 平台发展,并横跨 x86、Arm、RISC-V 等架构和指令集。在 UCIe 标准下,未来或许能推出同时集成 x86 的 Chiplet 芯片和 RISC-V 的Chiplet 芯片的处理器,并通过架构的混用同时满足 PC 和移动应用生态的需求。

  先进封装:将 Chiplet 真正结合在一起的关键

  UCIe 联盟为 Chiplet 指定了多种先进封装技术,包括英特尔EMIB、台积电CoWoS、日月光FoCoS-B等。Chiplet虽然避免了超大尺寸 die,但同时也意味着超大尺寸封装,又高度融合晶圆后道工艺,更在封装方面带来了极限技术挑战,如封装加工精度和难度进一步加大,工艺窗口进一步变窄,通用设备比例降低,设备升级需求大等。除此之外,散热和功率分配也是需要考虑的巨大问题。目前头部的 IDM 厂商、晶圆代工厂以及封测企业都在积极推动不同类型的先进封装技术,以抢占这块市场。

  芯片测试:保证 Chiplet 良率,使 Chiplet 能够正常运行,测试设备数量和性能都有更高需求

  由于 Chiplet 中封装了多个 die,每一个 die 都不能失效才能保证 Chiplet 正常运转。过去对于一些较低成本的芯片通常采取抽检,但若采用Chiplet 则需要全检,以确保每一个 die 都能正常工作。在对异构集成进行测试时,一方面要确保组装的裸晶功能完好,另一方面还要提高裸晶在系统中的自检能力。不同于标准 IP,Chiplet 设计难度大幅增加,需要产业链上下游厂商协同设计,因此在测试方法上也更加复杂和困难。

  后摩尔时代,Chiplet 给中国集成电路产业带来了巨大发展机遇

  首先,芯片设计环节能够降低大规模芯片设计的门槛;其次半导体 IP 企业可以更大地发挥自身的价值,从半导体 IP 授权商升级为 Chiplet 供应商,在将 IP 价值扩大的同时,还有效降低了芯片客户的设计成本,尤其可以帮助系统厂商、互联网厂商这类缺乏芯片设计经验和资源的企业,发展自己的芯片产品;最后,国内的芯片制造与封装厂可以扩大自己的业务范围,提升产线的利用率,尤其是在高端先进工艺技术发展受阻的时候,还可以通过为高端芯片提供基于其他工艺节点的 Chiplet 来参与前沿技术的发展。

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