科工力量：拜登关心的“小芯片”，是中国芯片产业的突破口？

【文/观察者网专栏作者 清柠】

8月9日，上午10点，艳阳高照。对于大多数人而言，这是一个忙碌的星期二。

但是对于新冠初愈的美国总统拜登而言，这天显得格外辛苦：伴随着持续不断地咳嗽，他在一众半导体行业CEO的注视下，签署了延期许久的《2022芯片与科技法案》。

与传统的产业法案相比，《芯片与科学法案》给出了不少建议。其中有一条，显得格外的醒目：

“我们还将建议开发‘芯粒平台（Chiplet Platform)’——一种包括产品中常见的、非创新部分的芯片——使初创公司和学术研究人员能够更快地创新，并大幅降低他们的开发成本。”

为了强调这一建议的价值，法案“恰到好处”地搬出了中国：

“其他国家，尤其是亚洲国家，正在进行投资，以降低进入市场的成本，并看到了成效。例如，中国每年创建的半导体初创公司是美国的六倍。”

“撰写这套法案的人是生搬硬套。”半导体从业人员林腾（化名）表示，“Chiplet不是平台，而是一种生产模式，是整个行业的改良。”

化整为零、灵活生产

Chiplet是什么？把“大芯片”拆成“小芯片”。

芯片行业的发展，理论上遵循摩尔定律：当价格不变时，集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。

这一定律也奠定了芯片行业的大趋势：空间有限，数量翻倍。就要缩小晶体管体积，用先进制程提升性能。制程越先进，需要集成的晶体管越多，出现生产缺陷的可能性越大，芯片成本越高。

28nm制程前，摩尔定律顺风顺水。但是到了16nm/14nm时代，芯片设计成本攀升到了上亿美元，建厂成本达到150亿美元。受益于摩尔定律的CPU、DRAM等产品，性能提升却缓慢，并没有从先进制程中获益。

压缩晶体管，已经让芯片内卷到了极限。想进一步提高芯片集成度，就要从结构下手。

目前而言，芯片行业主流制造模式是系统级芯片（SoC），把不同功能模块封装在一个芯片中，各个模块都采取相同的制程。芯片面积越大，晶体管越多，SoC模式面临的压力就越大。

Chiplet模式则反其道而行之，把模块进行分类，先封装几个裸片，最后统一封装。构成芯片的几个模块，像积木一样分类组装，难度下降了不少。

既然是分块组装，各个模块就能自行配置，降本增效。利用Chiplet组装的芯片，CPU可能是10nm，存储芯片可能是14nm，模拟芯片可能是90nm。

林腾算了一笔账：“28nm SoC 芯片成本为5000万美元，7nm为3亿美元。如果用Chiplet模式平衡成本，可以省出20%的资金。”

利用化整为零的策略，Chiplet还提高了芯片良品率。芯片良品率与芯片面积有关，同样大小的晶圆，芯片加工面积越大，芯片生产数量越少，因为生产缺陷淘汰的芯片比例越高。Chiplet按模块生产，提高了芯片加工数量，从而提高了良率。

除此之外，Chiplet模式下生产的模块，可以根据需要迁移到其他的芯片设计中。将设计资源进行整合，不但降低了芯片的设计成本，也可以让企业根据市场需求迭代产品，加速产品上市。

中国企业、积极追赶

模块生产，灵活配置的Chiplet模式，也为中国芯片产业提供了新机会。

国内大厂的Chiplet项目中，最为知名的是华为鲲鹏920芯片，该芯片于2019年量产，将7nm逻辑芯片与16nm I/O芯片等集成在SoC中，主要用于华为TaiShan服务器。中国移动今年2月公布的2021-2022第1批PC服务器集采项目中，基于华为鲲鹏芯片的服务器占比达到16.55%，拥有着出色的市场反馈。

但是华为在Chiplet领域的投入，要追溯到2014年。当时华为海思半导体与台积电合作生产了一款64位Arm架构服务器处理器。使用了台积电开发的CoWoS封装技术，集成16nm逻辑芯片与28nm I/O芯片。用Chiplet加强服务器业务实力，将是华为的长期战略。

在Chiplet模式涉及的封装流程中，国内企业也在加紧发力。国内第一大封测企业长电科技，就在去年推出了XDFOI技术。该技术是一种面向Chiplet的极高密度，多扇出型封装高密度异构集成解决方案，可以覆盖2D/2.5D/3D Chiplet，适应多种异构封装产品。

追溯到行业源头，芯片IP供应商也在参与Chiplet。作为国内知名芯片IP企业，芯原股份在2020年就公开表示布局Chiplet业务，公司通过Chiplet架构设计推出了高端应用处理器平台，从定义到流片仅用了12个月，工程样片回片当天顺利点亮，并在样机中顺利运行。公司推出的12nm Chiplet产品正在自动驾驶域控制器上开展验证工作，正在进行版本迭代。

与华为，AMD，英特尔等厂商将Chiplet资源投入到服务器领域相比，执掌芯原股份的戴伟民十分看重Chiplet在自动驾驶领域的发展，他也给出了自己的分析：

“把计算和功能模块以Chiplet的方式单独做好车规验证工作，然后通过增加这些Chiplet来升级汽车芯片，可以大幅简化汽车芯片迭代时的设计工作和车规流程，同时增加汽车芯片的可靠性——因为几颗Chiplet同时失效的几率远远小于一颗汽车芯片失效的几率。”

机遇初现、挑战仍在

Chiplet给芯片行业带来的，不光是蓝图，还有挑战。

首先，Chiplet实现“模块化生产”的前提，是各个配件拥有统一的连接协议，从而灵活适应系统拓展需求和性能指标。但是目前Chiplet标准建立还处于早期阶段，缺乏统一标准。

3月2日，半导体巨头AMD、ARM、Google云、Intel、Meta、微软、高通、三星、台积电宣布成立行业联盟，打造Chiplet互联标准“UCIe”（Universal Chiplet Interconnect Express）。今年年底，由工信部电子四院，中科院计算所等机构制订的《小芯片接口总线技术要求》即将公布。建立独立生态，对接全球市场，对于国内芯片企业是全新的挑战。

另一方面，Chiplet模式的成立需要充足的芯片IP资源。不同厂商生产的Chiplet产品，也需要跨平台的EDA软件进行同步。国内芯片企业目前对国外EDA和IP供应商依赖度较高，要创造开放的Chiplet开发环境，依然需要国内相关企业的支持。

除此之外，Chiplet在生产模式上的优化，离不开先进封装技术的深度应用，在跨厂商、跨制程的生产环境下设计布局。与英特尔、台积电等厂商相比，国内封测厂商缺乏有行业说服力的技术路线，国内代工厂需要持续进行技术整合，形成行业共识。

如果技术路线不同，Chiplet也很难大展拳脚。英伟达副总裁伊恩·巴克就表示，虽然英伟达曾经遇到光掩膜问题，无法打印大面积芯片，但是公司并没有选择Chiplet方案。因为英伟达采用的GPU运算，是利用上千个计算内核依次执行大量相对简单的计算。

为了规避这个问题，英伟达开发了NVlink技术，通过连接两块 NVIDIA 显卡，能够实现显存和性能扩展。这项点对点连接技术也用于英伟达GPU和CPU之间的高速连接，让GPU动用CPU的资源。英伟达的“超级芯片”计划，也不采用Chiplet的生产模式。

“摩尔定律和Chiplet的讨论，本质是围着DRAM和CPU转。”林腾表示，“这些讨论成立的前提，是高性能产品发展乏力，需要生产层面的优化。Chiplet发展比较成功的AMD，目标也是数据中心。如果在国内，还是服务器和汽车领域应用更有潜力，继续推广难度也不小。”

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