“摩爾定律”曾主宰著半導(dǎo)體芯片一次次創(chuàng)造技術(shù)發(fā)展的奇跡，但近年來關(guān)于“摩爾定律”放緩甚至終結(jié)的聲音愈演愈烈，“后摩爾時代”成為行業(yè)一大熱詞。

新工藝制程發(fā)展讓芯片體積性能不斷迭代，同時帶來了高昂的科研成本：據(jù)IBS統(tǒng)計，一個28nm芯片的設(shè)計成本在4000萬美元，16nm芯片設(shè)計成本約1億美元，而5nm芯片的設(shè)計成本更高達(dá)5.4億美元。工藝微縮的前景幾乎打破摩爾定律 “投資發(fā)展制程——芯片生產(chǎn)成本降低——制程再投資”的邏輯。

來源：International Business Strategies (IBS)

在延伸“摩爾定律”的道路上，Chiplet（芯粒）生逢其時。

3月2日，英特爾聯(lián)合10家芯片巨頭成立Chiplet標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)盟，正式推出Chiplet（芯粒）的通用標(biāo)準(zhǔn)“UCle”（Universal Chiplet Interconnect Express通用芯?；ミB），用來打通各家芯片鏈接協(xié)議，構(gòu)建一個開放可互操作的Chiplet生態(tài)系統(tǒng)。

正當(dāng)業(yè)內(nèi)詫異Chiplet聯(lián)盟成員沒有蘋果、遺憾沒有中國大陸芯片廠商問津時，3月14日，來自芯東西的一篇報道，透露出國內(nèi)Chiplet標(biāo)準(zhǔn)即將面世的消息，國標(biāo)Chiplet草案已制訂完畢并有望在2022年第一季度公示，今年年底將進(jìn)行《小芯片接口總線技術(shù)要求》初版標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布，或?qū)⒊蔀閲a(chǎn)芯片打破制程封鎖，實現(xiàn)彎道超車的重要引擎。

小芯片“續(xù)寫”摩爾定律？

作為先進(jìn)封裝技術(shù)的代表，Chiplet走向了和傳統(tǒng)SoC完全不同的道路。它將復(fù)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將模塊芯片和底層基礎(chǔ)芯片封裝組合在一起，類似于搭建樂高積木，形成一個系統(tǒng)芯片。

Chiplet的概念早在10余年前就被提出，Marvell創(chuàng)始人周秀文博士在ISSCC2015大會上提出了提出Mochi架構(gòu)的概念，他認(rèn)為Mochi可成為諸多應(yīng)用的基礎(chǔ)架構(gòu)。幾年后，這個概念開花結(jié)果，在經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢和市場驅(qū)動下，AMD、臺積電、英特爾、英偉達(dá)等芯片巨頭廠商嗅到了這個領(lǐng)域的市場機(jī)遇，形成了現(xiàn)在的Chiplet。

使用Chiplet 的好處很多，以SoC為代表的集成芯片正面臨經(jīng)濟(jì)邊界和物理邊界兩大難題：一是先進(jìn)制程工藝成本高昂，二是模擬電路、I/O 等愈來愈難以隨著制程技術(shù)縮小。

而Chiplet在理論上完美補足了這兩個“缺陷”，用成熟的工藝把大芯片分成小芯片，能通過量產(chǎn)有效改善良率，同時降低制造成本。根據(jù)研究人員分析，這項技術(shù)可以將大型7nm設(shè)計的成本降低高達(dá)25%；在5nm及以下的情況下節(jié)省成本更大。

其次，Chiplet可以降低微縮設(shè)計的復(fù)雜程度與設(shè)計成本，以電路分割的小芯片各自強(qiáng)化相應(yīng)功能、制程技術(shù)、尺寸，最后整合在一起，以克服制程微縮的挑戰(zhàn)。

3月初Apple春季發(fā)布會上曝光的“宇宙級處理器”M1 Ultra 就是用兩個M1芯片采用UltraFusion的架構(gòu)封裝技術(shù)完成的，搭載了1140億個晶體管。根據(jù)蘋果和臺積電公布的專利論文來看，業(yè)內(nèi)人士猜測，UltraFusion應(yīng)是基于臺積電第五代CoWoS Chiplet技術(shù)的互連架構(gòu)。M1 ultra芯片充分顯示了Chiplet在封裝互連技術(shù)、半導(dǎo)體制造和電路設(shè)計上的巨大想象空間。

圖源：蘋果

蘋果M1的工藝思路，與我國即將推出的Chiplet標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)不謀而合。

彎道超車：中國特色的Chiplet標(biāo)準(zhǔn)

對我國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)而言，Chiplet被認(rèn)為是與國外差距較小的先進(jìn)封裝技術(shù)，被看作是后摩爾時代中國集成電路企業(yè)突破的希望，越來越多的企業(yè)與工廠加大對Chiplet的研發(fā)：華為是國內(nèi)最早嘗試Chiplet的一批公司，海思半導(dǎo)體在早期就與臺積電合作過Chiplet技術(shù)，國產(chǎn)芯片廠商芯動科技在一款高性能服務(wù)器級顯卡GPU上使用了INNOLINK Chiplet技術(shù)……

小芯片有著卓越的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，但作為新生技術(shù)也面臨不少挑戰(zhàn)。困于不同架構(gòu)、不同制造商生產(chǎn)的die之間的互連接口和協(xié)議的不同，Chiplet的研發(fā)者在設(shè)計之初就得考慮工藝制程、封裝技術(shù)、系統(tǒng)集成、擴(kuò)展傳輸?shù)戎T多復(fù)雜因素，這使得Chiplet的設(shè)計過程異常艱難。AMD的高級研究員Bryan Black概述了Chiplet芯片設(shè)計的九個考慮和挑戰(zhàn)：

如何在一個系統(tǒng)中劃分die

設(shè)計重用

管理參數(shù)變化

功率輸出

連接速度

劃分開銷

全局時鐘

die的安全

熱管理

樂高玩具之所以全球風(fēng)行，基礎(chǔ)在于其積木模件的標(biāo)準(zhǔn)化，而Chiplet除了工藝設(shè)計之外的另一個難題，是die-to-die互聯(lián)的標(biāo)準(zhǔn)化。