錯過大芯片，可不能再錯過小芯粒了

近日，有消息稱，由于“3nm制程的N3工藝某預(yù)定大客戶”臨時取消訂單，臺積電因而大砍供應(yīng)鏈訂單，涉及再生晶圓、關(guān)鍵耗材、設(shè)備等供應(yīng)鏈領(lǐng)域。但臺積電并不承認(rèn)，而是回應(yīng)稱：N3制程進(jìn)度并無改變，預(yù)期2023年將平穩(wěn)量產(chǎn)。

不管這個砍單的大客戶是不是蘋果，不管手機(jī)市場不景氣是否給臺積電的多位大客戶們帶來壓力——即使臺積電3nm制程的進(jìn)度未受拖累，但其產(chǎn)能大概率也將無法再現(xiàn)7nm、5nm時代的輝煌。臺積電原定年底3nm初步量產(chǎn)后，月產(chǎn)能能到4.4萬片，但目前預(yù)計(jì)年底產(chǎn)能僅能維持1萬片左右。

而2022年11月相繼發(fā)布的聯(lián)發(fā)科天璣9200和高通驍龍8G2兩款旗艦處理器，采用的都是臺積電4nm工藝，并沒有使用3nm工藝。而臺積電4nm工藝本質(zhì)上是臺積電發(fā)布于2020年的5nm工藝節(jié)點(diǎn)改進(jìn)版改名而已，這一幕其實(shí)在臺積電6nm工藝時就發(fā)生過，6nm本質(zhì)上也是7nm工藝節(jié)點(diǎn)的改進(jìn)。

悄悄改名字的小心機(jī)背后，是晶體管微縮技術(shù)發(fā)展的放緩。這也讓人們好奇，摩爾定律要止步于1nm了嗎？在“后摩爾時代”，Chiplet（芯粒）這種不受限于晶體管制程、而是將各種技術(shù)進(jìn)行異質(zhì)整合的先進(jìn)封裝技術(shù)開始大放異彩，又能否助力中國芯片產(chǎn)業(yè)破除或者緩解“卡脖子”難題？

Chiplet技術(shù)源起

Chiplet技術(shù)所依托的異構(gòu)設(shè)計(jì)思路很早就有，戈登·摩爾早在1964年提出“摩爾定律”的同時就預(yù)測了摩爾定律“終結(jié)”之后的小芯片異構(gòu)互聯(lián)思路，他指出：屆時用多個獨(dú)立封裝的小功能單元互連構(gòu)建大型系統(tǒng)的方法可能會更經(jīng)濟(jì)。

但Chiplet量產(chǎn)時間較晚，也就最近幾年才在半導(dǎo)體行業(yè)流行開。海思2014年采用臺積電16nm FinFET工藝的網(wǎng)絡(luò)芯片CoWoS，就是海思第一片公開的Chiplet設(shè)計(jì)。此后海思設(shè)計(jì)的晟騰910 等芯片也采用了Chiplet設(shè)計(jì)。

而Marvell公司創(chuàng)始人周秀文博士在2015年的國際固態(tài)電路峰會(ISSCC) 上，則提出了模塊化芯片（MOChi TM）概念：采用 DRAM 存儲器、CPU、GPU 計(jì)算元件、LTE Modem、WiFi、南橋等“模塊化”裸芯片，通過異構(gòu)封裝堆疊成手機(jī)、電腦的處理器。

2017年，美國國防高級研究計(jì)劃局（DARPA）在名為 CHIPS（Common Heterogeneous Integration and IP Reuse Strategies）的項(xiàng)目中，邀請英特爾、美光、新思科技以及波音、洛克希德等公司參與研發(fā)一種可以替代SoC的模塊化裸芯方案，也即Chiplet。Chiplet以“搭積木”的方法，采用先進(jìn)封裝堆疊連接成“多芯粒模組”（MCM），從過去芯片的組裝變?yōu)榛谛玖５漠悩?gòu)集成。

就以手機(jī)SoC芯片為例，其CPU、GPU、基帶等不同部件在制造上往往要選擇相同的工藝節(jié)點(diǎn)，因?yàn)樵趩喂杵到y(tǒng)只能在一個工藝節(jié)點(diǎn)上實(shí)現(xiàn)。然而不同部件的工藝需求不同，比如邏輯芯片更青睞先進(jìn)制程，而模擬芯片如果采用先進(jìn)制程可能會導(dǎo)致漏電、噪聲等問題。

但以往設(shè)計(jì)SoC時，芯片設(shè)計(jì)企業(yè)從不同的 IP 供應(yīng)商購買IP，再結(jié)合自研NPU等模塊，統(tǒng)一都使用先進(jìn)制程集成為一個SoC，這不僅徒增成本，也會導(dǎo)致性能上的可能隱患。

而Chiplet模式則可以自由選擇不同裸芯片的工藝，然后通過先進(jìn)封裝來進(jìn)行組裝。那么對于某些IP，廠家既可以購買之后自己設(shè)計(jì)、流片，也可以買其他企業(yè)實(shí)現(xiàn)好的硅片然后在一個封裝里集成起來?？傊啾纫酝嗤に嚬?jié)點(diǎn)的SoC芯片制造，Chiplet模式更具靈活性。

盡管英特爾、AMD等X86芯片巨頭都在下注研發(fā)Chiplet技術(shù)，但將Chiplet發(fā)揚(yáng)光大的，還是AMD。

2017年，AMD推出了其第一代Epyc服務(wù)器處理器Naples重返數(shù)據(jù)中心市場，基于Zen架構(gòu)核心，最高32核心/64超線程，32核產(chǎn)品采用多芯片模塊（multi-chip module，MCM）架構(gòu)，由4個晶片（die）構(gòu)成，每個晶片包括 8 個核心及其他部件。MCM架構(gòu)可謂是Chiplet的前代，但仍有著核心數(shù)擴(kuò)展不易、I/O 器件占比過高等缺點(diǎn)。

2019年AMD又推出了第二代EPYC處理器Rome，基于Zen2架構(gòu)核心，第一次采用了Chiplet設(shè)計(jì)。也就是把DDR內(nèi)存控制器、Infinity Fabric 和 PCIe 控制器等 I/O 器件集中到一個單獨(dú)的晶片里，即I/O Die（IOD），采用成熟的14nm制程；兩邊布置多達(dá)8個 CCD（Core Complex Die，核心復(fù)合晶片），CCD 內(nèi)部的核心、Cache 等所占面積高達(dá) 86%，可以從7nm 制程中獲得較大的收益。

從第一代的4晶片結(jié)構(gòu)，到第二代的9晶片結(jié)構(gòu)，Chiplet技術(shù)功不可沒。

到2021年推出第三代EPYC處理器時，經(jīng)過三代產(chǎn)品的接力，AMD僅用五年時間，其CPU在服務(wù)器市場上的份額就從2017年底的0.8%，回升到2021第四季度的10.7%。

而且，服務(wù)器市場AMD新品迭發(fā)，份額還在迅速增長。基于Zen4架構(gòu)的下一代EPYC霄龍數(shù)據(jù)中心處理器“Genoa”(熱那亞)就官宣11月11日發(fā)布，最多96核心192線程。而英特爾受制于Intel 7工藝的拖累，原定去年就發(fā)布的下一代60核心至強(qiáng)處理器Sapphire Rapids量產(chǎn)時間一拖再拖，延遲到了2023年上半年。集邦咨詢預(yù)計(jì)，AMD 2022年底在x86服務(wù)器市場上的份額有望上漲到15％，2023年第四季度甚至可能會超過22％。

AMD資深副總裁、產(chǎn)品技術(shù)架構(gòu)師Sam Naffziger就曾在ISSCC 2021峰會上解釋了AMD重用Chiplet技術(shù)的主因，一方面自然是晶圓工藝節(jié)點(diǎn)進(jìn)展緩慢，另一方面則是較小尺寸裸晶具有更高的良率。

通過Chiplet技術(shù)，處理器核心可以最先進(jìn)的工藝節(jié)點(diǎn)，而內(nèi)存和 I/O 控制器功能則可以使用上一代甚至更早的工藝節(jié)點(diǎn)，從而在性能和成本之間取得平衡。AMD也就是借助Chiplet瘋狂堆核心，在和英特爾的多年惡斗中少有地占領(lǐng)了一時上風(fēng)。

蘋果等企業(yè)同樣重視Chiplet。2022年3月，蘋果自研的M1 Ultra，具有 1140 億個晶體管，成為 Apple 迄今為止最大的硅芯片。而這種芯片尺寸，超出了光刻掩模版尺寸，也自然只能通過Chiplet技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)級封裝（System on Package，SoP）——M1 Ultra正是由兩枚 M1 Max 晶粒通過UltraFusion 封裝架構(gòu)內(nèi)部互連而成。

Chiplet與中國封測產(chǎn)業(yè)

在芯片設(shè)計(jì)、晶圓制造和芯片封測三大芯片上下游產(chǎn)業(yè)鏈中，中國最弱的是晶圓制造環(huán)節(jié)，而在芯片設(shè)計(jì)、芯片封測領(lǐng)域，則距離第一梯隊(duì)其實(shí)差距并不大。

“幸運(yùn)”的是，Chiplet技術(shù)從半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈分工上，屬于先進(jìn)封裝技術(shù)。要實(shí)現(xiàn) Chiplet這種高靈活度、高性能、低成本的IP 重用模式，首先就要具備先進(jìn)的芯片集成封裝技術(shù)。

而中國封測產(chǎn)業(yè)一大批企業(yè)還是具有技術(shù)先進(jìn)性的。長電科技、通富微電、華天科技、晶方科技、偉測、利揚(yáng)、華潤微電子封裝測試事業(yè)群等封測廠商均有著不俗實(shí)力。2021年長電科技市占率位居全球第三，通富微電、華天科技也分別位列全球第五、六名。

也因此，很多人都對借助先進(jìn)封測技術(shù)，來緩解晶圓代工上先進(jìn)制程的卡脖子之難抱有期待。

華為2021年年報發(fā)布會上，華為輪值董事長郭平就表示，用面積換性能，用堆疊換性能，使得不那么先進(jìn)的工藝也能持續(xù)讓華為在未來的產(chǎn)品里面，能夠具有競爭力。這也被很多人解讀為，華為在Chiplet技術(shù)上在著手準(zhǔn)備。

隨著行業(yè)進(jìn)入后摩爾時代，Chiplet等技術(shù)也確實(shí)帶來更多想象力。

浙江大學(xué)微納電子學(xué)院院長吳漢明就指出，從制造成本上來看，28nm以前的工藝制造成本下降速度較快，但28nm之后制造成本下降趨緩；能性能上看，2002年以前芯片每年可以提升52%，2002年到2014年，每年提升降為12%，而2014年之后，性能每年僅能提升3.5%左右。

英特爾被網(wǎng)友戲稱為“牙膏廠”，也正是因?yàn)?014年之后酷睿一直在14nm工藝節(jié)點(diǎn)止步不前、每代酷睿IPC提升大都是個位百分?jǐn)?shù)。

為了在后摩爾時代實(shí)現(xiàn)芯片算力的持續(xù)增長，吳漢明提出了三條突破途徑：三維異質(zhì)集成晶圓級集成、存算一體范式、可重構(gòu)計(jì)算架構(gòu)。實(shí)際上，上述三種技術(shù)路徑，都與Chiplet技術(shù)有著千絲萬縷的關(guān)系。

長電科技CEO鄭力在2021年的一場演講中就指出，后道成品制造在產(chǎn)業(yè)鏈中的地位愈發(fā)重要，有望成為集成電路產(chǎn)業(yè)新的制高點(diǎn)，如先進(jìn)封裝就可能成為后摩爾時代的重要顛覆性技術(shù)之一。

清華大學(xué)教授魏少軍也指出，雖然封測業(yè)看似仍以加工為主要特點(diǎn)，一度被認(rèn)為技術(shù)含量不高，但未來，以三維混合鍵合技術(shù)為代表的微納系統(tǒng)集成有可能改變整個產(chǎn)業(yè)格局，前道后道工序相結(jié)合，甚至在前道工藝當(dāng)中嵌入后道，后道當(dāng)中集成前道，將成為一種大的趨勢，這給封測業(yè)、設(shè)計(jì)業(yè)、制造業(yè)提出了全新的挑戰(zhàn)。

這也意味著，封裝產(chǎn)業(yè)中先進(jìn)封裝的占比將會越來越高。調(diào)研機(jī)構(gòu) Yole預(yù)計(jì)，2021年先進(jìn)封裝的市場規(guī)模約為350億美元，占全部封裝（約777億美元）的比例約為45%；2025年占比將增長到49.4%，將成為全球封裝市場的主要增量。

先進(jìn)封裝比例的提高，也意味著封裝、測試產(chǎn)業(yè)整體占集成電路產(chǎn)業(yè)的份額也會提高。?中國半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2021年中國集成電路產(chǎn)業(yè)銷售額為10458.3億元。其中設(shè)計(jì)業(yè)、制造業(yè)?、封測業(yè)的占比為43.2%:30.4%:26.4%。而世界集成電路產(chǎn)業(yè)三業(yè)結(jié)構(gòu)合理占比（設(shè)計(jì):晶圓:封測）為3:4:3，隨著Chiplet技術(shù)在封測行業(yè)中的更多應(yīng)用，也許中國封測產(chǎn)業(yè)的占比將在短期內(nèi)就達(dá)到、超過30%。

異構(gòu)集成能否助力彎道超車

?Chiplet技術(shù)作為一種異構(gòu)集成的封裝方案，在摩爾定律接近極限之時，被很多人寄予厚望：既然先進(jìn)制程被卡脖子，那么能否借助Chiplet等新技術(shù)，使用國產(chǎn)化程度更高的成熟制程實(shí)現(xiàn)高算力來破除卡脖子難題？

思考這個問題之前，其實(shí)可以思考另一個問題：AMD從被英特爾按在地上摩擦，到有反身之力，靠的更多是Chiplet技術(shù)，還是臺積電的先進(jìn)制程？

2017年，AMD借助Zen架構(gòu)的銳龍?zhí)幚砥髟俅位氐轿枧_，但是第一代Zen架構(gòu)雖然優(yōu)秀，并未給到英特爾壓力。第一代Zen微架構(gòu)的處理器主要都是在格羅方德位于美國紐約州的Fab 8廠制造，制程工藝14nm LPP。但格羅方德的14nm工藝并不足以與當(dāng)時英特爾改進(jìn)數(shù)代的14nm工藝相比，AMD不得不在2017年又以1億美元的代價修訂與格羅方德的合同，不再排除讓三星、臺積電代工制造的可能。

實(shí)際上，正是在臺積電7nm先進(jìn)制程下的加持下，Zen3架構(gòu)的芯片性能才真正超過英特爾。甚至于Zen3用一代處理器扛住了英特爾基本同時期的三代酷睿（10代、11代、12代）：完全碾壓10代、大幅超越11代、甚至與12代還能互有勝負(fù)，直到英特爾13代酷睿才大幅領(lǐng)先Zen3架構(gòu)。

而近日，AMD正式發(fā)布了新一代旗艦GPU RX 7000系列，采用RDNA3內(nèi)核GPU。蘇姿豐特別強(qiáng)調(diào)說，RDNA3是全球第一款“Chiplet”游戲GPU，將一組有不同特定功能的獨(dú)立芯片裸片分別制造，然后封裝集成在一起，從而實(shí)現(xiàn)更具彈性的設(shè)計(jì)、更高良率和更低成本

此前AMD憑借制程工藝的優(yōu)勢，在芯片頻率、能效比方面較英偉達(dá)同代產(chǎn)品具有一定技術(shù)優(yōu)勢，但市場競爭中依然不敵英偉達(dá)。但英偉達(dá)RTX40系列顯卡也將從三星換用臺積電4nm，英偉達(dá)在補(bǔ)齊了能效比方面的短板后，失去先進(jìn)制程優(yōu)勢的AMD要用什么對抗擁有壟斷地位的英偉達(dá)？

怪不得蘇姿豐拿Chiplet技術(shù)作為AMD最新GPU的一個亮點(diǎn)去介紹了。但GPU岌岌可危，CPU同樣不容樂觀，英特爾13代酷睿對比AMD的Zen4架構(gòu)又拉開了不少差距，Zen3時代借助臺積電先進(jìn)制程優(yōu)勢帶來的“AMD，YES”，恐怕難以再現(xiàn)。

顯然，Chiplet技術(shù)幫助AMD雪中送炭，但卻沒有幫助AMD進(jìn)一步錦上添花，以對抗用更多小核心耍花招的英特爾。

但Chiplet技術(shù)，對于亟需突破先進(jìn)制程封鎖的中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)而言，卻不能雪中送炭，而是可以幫助中國芯片設(shè)計(jì)企業(yè)、晶圓代工企業(yè)在異構(gòu)集成技術(shù)上有一定積累之后的錦上添花。這一點(diǎn)恰好與Chiplet技術(shù)在AMD上的效果相反。

?在核心的處理上，對次級晶圓屏蔽部分核心區(qū)分于高端芯片，是常見的做法，不過一般都會保持對稱的偶數(shù)核心。但AMD更加大膽，再將沒有達(dá)到要求的核心屏蔽掉，就有了原生四核架構(gòu)的雙核、甚至“三腳貓”三核CPU，如Phenom II X3和X2系列處理器。

既然能夠屏蔽核心，也同樣可以用Chiplet形式增加核心?；蛟SAMD對于Chiplet技術(shù)的熱衷，就與其從屏蔽核心時代走來有關(guān)。畢竟在屏蔽核心上，AMD比英特爾玩出過更多花樣。

先進(jìn)制程的重要性，是Chiplet技術(shù)難以彎道超車的。哪怕Chiplet技術(shù)允許先進(jìn)制程和成熟制程異構(gòu)連接，但也需要不同核心中性能取向部分采用先進(jìn)制程。如果都采用成熟制程“搭積木”，盡管可以取得部分成效，但也難以替代先進(jìn)制程。

業(yè)內(nèi)專家莫大康也指出，從國際上Chiplet技術(shù)較為領(lǐng)先的企業(yè)來看，Chiplet技術(shù)并目前非由封裝企業(yè)來主導(dǎo)，而是由Fabless企業(yè)主導(dǎo)，外加代工產(chǎn)業(yè)的大力支持。這是由于Chiplet技術(shù)涉及很多不同的產(chǎn)業(yè)，例如，涉及如何分割、分割后的聯(lián)結(jié)、RDL技術(shù)、重新布線等。

對于中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)而言，由于封裝技術(shù)往往是由封裝企業(yè)來主導(dǎo)，因此，Chiplet等先進(jìn)技術(shù)僅由封裝廠來操作就有一定的困難，缺乏國際上Fabless企業(yè)、晶圓代工企業(yè)互相配合積累的“know-how”，預(yù)計(jì)還需要較長時間磨合。

不過，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)有著“需求產(chǎn)生-供不應(yīng)求-價格上漲-擴(kuò)充產(chǎn)能-產(chǎn)能過剩-價格下跌-重新洗牌”的周期規(guī)律。我們也并不會把彎道超車的念想放在一項(xiàng)Chiplet技術(shù)上。在行業(yè)周期下行之時，更多半導(dǎo)體企業(yè)只要找準(zhǔn)新技術(shù)風(fēng)口，抓住重新洗牌的機(jī)會，未嘗不能超車。?