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《電子技術應用》
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Chiplet新技術,延續摩爾定律

2022-10-20
來源:芯路芯語
關鍵詞: chiplet 摩爾定律

  Chiplet 又稱芯?;蛘咝⌒酒?,它是將一類滿足特定功能的 die(裸片),通過 die-to-die 內部互聯技術實現多個模塊芯片與底層基礎芯片封裝在一起,形成一個系統芯片,以實現一種新形式的 IP 復用。目前,主流系統級單芯片(SoC)都是將多個負責不同類型計算任務的計算單元,通過光刻的形式制作到同一塊晶圓上。

  比如,目前旗艦級的智能手機的 SoC 芯片上,基本都集成了 CPU、GPU、DSP、ISP、NPU、Modem 等眾多的不同功能的計算單元,以及諸多的接口 IP,其追求的是高度的集成化,利用先進制程對于所有的單元進行全面的提升。而 Chiplet 則與之相反,它是將原本一塊復雜的 SoC 芯片,從設計時就先按照不同的計算單元或功能單元對其進行分解,然后每個單元選擇最適合的半導體制程工藝進行分別制造,再通過先進封裝技術將各個單元彼此互聯,最終集成封裝為一個系統級芯片組。

  Chiplet 可以大幅提高大型芯片的良率

  隨著高性能計算、AI 等方面的巨大運算需求,集成更多功能單元和更大的片上存儲使得芯片不僅晶體管數量暴增,芯片面積也急劇增大。芯片良率與芯片面積有關,隨著芯片面積的增大而下降。一片晶圓能切割出的大芯片數量較少,而一個微小缺陷則可能直接使一顆大芯片報廢。Chiplet 可將單一 die 面積做小以確保良率,并用高級封裝技術把不同的芯粒集成在一起。

  Chiplet 有利于降低設計的復雜度和設計成本

  Chiplet 芯片一般采用先進的封裝工藝,將小芯片組合代替形成一個大的單片芯片。利用小芯片(具有相對低的面積開銷)的低工藝和高良率可以獲得有效降低成本開銷。除芯片流片制造成本外,研發成本也逐漸占據芯片成本的重要組成部分,通過采用已知合格裸片進行組合,可以有效縮短芯片的研發周期及節省研發投入。同時 Chiplet 芯片通常集成應用較為廣泛和成熟的芯片裸片,可以有效降低了 Chiplet 芯片的研制風險,從而減少重新流片及封裝的次數,有效節省成本。

  Chiplet 有望降低芯片制造的成本

  SoC 中具有不同計算單元,以及 SRAM、I/O 接口、模擬或數?;旌显?。除了邏輯計算單元以外,其他元件并不依賴先進制程也通常能夠發揮很好的性能。所以,將 SoC 進行 Chiplet 化之后,不同的芯??梢愿鶕枰獊磉x擇合適的工藝制程分開制造,然后再通過先進封裝技術進行組裝,不需要全部都采用先進的制程在一塊晶圓上進行一體化制造,這樣可以極大的降低芯片的制造成本。以 AMD 為例,AMD 第二代 EPYC 服務器處理器 Ryzen 采用小芯片設計,將先進的臺積電 7nm 工藝制造的 CPU 模塊與更成熟的格羅方德 12/14nm工藝制造的 I/O 模塊組合,7nm 可滿足高算力的需求,12/14nm 則降低了制造成本。

  全球半導體芯片巨廠紛紛布局 Chiplet,Chiplet 未來市場空間廣闊

  AMD、臺積電、英特爾、英偉達等芯片巨頭廠商嗅到了這個領域的市場機遇,近年來開始紛紛入局Chiplet。AMD 最新幾代產品都極大受益于“SiP + Chiplet”的異構系統集成模式;另外,近日蘋果最新發布的 M1 Ultra 芯片也通過定制的 UltraFusion 封裝架構實現了超強的性能和功能水平,包括 2.5TB/s 的處理器間帶寬。在學術界,美國加州大學、喬治亞理工大學以及歐洲的研究機構近年也逐漸開始針對 Chiplet 技術涉及到的互連接口、封裝以及應用等問題開始展開研究。據 Omdia 報告,預計到 2024年,Chiplet 市場規模將達到 58 億美元,2035 年則超過 570 億美元,市場規模將迎來快速增長。

  UCIe:實現 Chiplet 互聯標準的關鍵

  隨著 Chiplet 逐步發展,未來來自不同廠商的芯粒之間的互聯需求持續提升。今年三月份出現的 UCIe, 即 Universal Chiplet Interconnect Express,是一種由 Intel、AMD、ARM、高通、三星、臺積電、日月光、Google Cloud、Meta 和微軟等公司聯合推出的 Die-to-Die 互連標準,其主要目的是統一 Chiplet(芯粒)之間的互連接口標準,打造一個開放性的 Chiplet 生態系統。UCIe 在解決 Chiplet 標準化方面具有劃時代意義。

  借助 UCIe 平臺,未來有望實現更加完整的 Chiplet 生態系統

  UCIe 產業聯盟發布了涵蓋上述標準的 UCIe1.0 規范。UCIe 聯盟在官網上公開表示,該聯盟需要更多半導體企業的加入,來打造更全面的 Chiplet 生態系統。同時,加盟的芯片企業越多,意味著該標準將得到更多的認可,也有機會被更廣泛的采用。UCIe標準出現的最大意義在于,巨頭們合力搭建起了統一的 Chiplet 互聯標準,這將加速推動開放的 Chiplet 平臺發展,并橫跨 x86、Arm、RISC-V 等架構和指令集。在 UCIe 標準下,未來或許能推出同時集成 x86 的 Chiplet 芯片和 RISC-V 的Chiplet 芯片的處理器,并通過架構的混用同時滿足 PC 和移動應用生態的需求。

  先進封裝:將 Chiplet 真正結合在一起的關鍵

  UCIe 聯盟為 Chiplet 指定了多種先進封裝技術,包括英特爾EMIB、臺積電CoWoS、日月光FoCoS-B等。Chiplet雖然避免了超大尺寸 die,但同時也意味著超大尺寸封裝,又高度融合晶圓后道工藝,更在封裝方面帶來了極限技術挑戰,如封裝加工精度和難度進一步加大,工藝窗口進一步變窄,通用設備比例降低,設備升級需求大等。除此之外,散熱和功率分配也是需要考慮的巨大問題。目前頭部的 IDM 廠商、晶圓代工廠以及封測企業都在積極推動不同類型的先進封裝技術,以搶占這塊市場。

  芯片測試:保證 Chiplet 良率,使 Chiplet 能夠正常運行,測試設備數量和性能都有更高需求

  由于 Chiplet 中封裝了多個 die,每一個 die 都不能失效才能保證 Chiplet 正常運轉。過去對于一些較低成本的芯片通常采取抽檢,但若采用Chiplet 則需要全檢,以確保每一個 die 都能正常工作。在對異構集成進行測試時,一方面要確保組裝的裸晶功能完好,另一方面還要提高裸晶在系統中的自檢能力。不同于標準 IP,Chiplet 設計難度大幅增加,需要產業鏈上下游廠商協同設計,因此在測試方法上也更加復雜和困難。

  后摩爾時代,Chiplet 給中國集成電路產業帶來了巨大發展機遇

  首先,芯片設計環節能夠降低大規模芯片設計的門檻;其次半導體 IP 企業可以更大地發揮自身的價值,從半導體 IP 授權商升級為 Chiplet 供應商,在將 IP 價值擴大的同時,還有效降低了芯片客戶的設計成本,尤其可以幫助系統廠商、互聯網廠商這類缺乏芯片設計經驗和資源的企業,發展自己的芯片產品;最后,國內的芯片制造與封裝廠可以擴大自己的業務范圍,提升產線的利用率,尤其是在高端先進工藝技術發展受阻的時候,還可以通過為高端芯片提供基于其他工藝節點的 Chiplet 來參與前沿技術的發展。

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