Chiplet 潮流中，誰是贏家？

大型芯片制造商專注于小芯片，將其視為將更多功能集成到電子設(shè)備中的最佳途徑?，F(xiàn)在的挑戰(zhàn)是如何拉動芯片行業(yè)的其他部分，為第三方小芯片創(chuàng)建一個市場，可以使用特定標(biāo)準(zhǔn)從菜單中進(jìn)行選擇，這些標(biāo)準(zhǔn)可以加快上市時間，幫助控制成本，并像內(nèi)部開發(fā)的芯片一樣可靠。

到目前為止，第三方小芯片使用一直斷斷續(xù)續(xù)。普遍的共識是，第三方小芯片市場將在某個時候蓬勃發(fā)展，部分原因是購買小芯片比構(gòu)建它們更便宜，前提是有足夠的互操作性標(biāo)準(zhǔn)。最大的未知數(shù)是，與內(nèi)部開發(fā)的小芯片相比，這些小芯片的性能如何，這反過來又會影響采用的速度、可用的市場機(jī)會總量以及隨后的市場整合速度。

這是由于幾個變量造成的。一方面，據(jù)估計，所有新啟動的芯片設(shè)計中有 30% 至 35% 供大型系統(tǒng)公司內(nèi)部使用。因此，這些公司不是使用現(xiàn)成的處理器和 IP，而是從頭開始設(shè)計系統(tǒng)來優(yōu)化其內(nèi)部流程或數(shù)據(jù)類型。為這些應(yīng)用開發(fā)的一些小芯片是高度專業(yè)化且具有競爭力的秘密武器，但這些系統(tǒng)中還有許多其他功能可以由第三方小芯片開發(fā)商開發(fā)。

另一方面，小型聯(lián)盟正在圍繞不同領(lǐng)域形成，例如生物或汽車應(yīng)用。其中一些涉及代工廠和 OSAT，它們開始為本質(zhì)上是裝配設(shè)計套件制定標(biāo)準(zhǔn)，而另一些則正在有機(jī)開發(fā)。但在所有情況下，重點(diǎn)都是基于小芯片設(shè)計的大規(guī)模生產(chǎn)，并具有可預(yù)測的產(chǎn)量。

此外，與必須符合特定工藝技術(shù)的軟 IP 不同，小芯片可以在任何工藝節(jié)點(diǎn)上開發(fā)。它們是否可以從一家晶圓廠互換到另一家晶圓廠還有待觀察。然而，混合和匹配流程節(jié)點(diǎn)的能力為更多選擇打開了大門。例如，開發(fā)人員可以在任何工作效果最好的節(jié)點(diǎn)上創(chuàng)建完全模擬的小芯片，而不是最先進(jìn)節(jié)點(diǎn)的平面 SoC 所需的大部分?jǐn)?shù)字芯片和一些模擬芯片。這開辟了一個基于 PPAC 的全新潛在市場。

小芯片代表了自摩爾定律誕生以來最根本的轉(zhuǎn)變之一。這個想法已經(jīng)存在了數(shù)十年，但在 finFET 推出之前，平面微縮的好處始終超過了改造供應(yīng)鏈、設(shè)計和制造工藝、更新或添加新設(shè)備以及因故障而造成的中斷所帶來的巨大挑戰(zhàn)。所有這些仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)，也是難以預(yù)測變化速度的主要原因之一。

AMD、英特爾和 Marvell 等大型芯片制造商已經(jīng)證明小芯片的有效性，并且他們正在從其開創(chuàng)性工作中獲益。但如果歷史可以說明事情將如何演變，那么這些公司自己開發(fā)所有本質(zhì)上硬化的知識產(chǎn)權(quán)在經(jīng)濟(jì)上并不有利。這是他們支持新的互操作性標(biāo)準(zhǔn)（尤其是 UCIe）并推廣商業(yè)市場理念的原因之一。此外，各個政府機(jī)構(gòu)還制定了利用現(xiàn)成的商用小芯片，作為加快上市時間并最終降低成本的一種方式的目標(biāo)。

圖 1：NIST 的小芯片架構(gòu)。來源：美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所

盡管如此，正如這些初始實現(xiàn)所證明的那樣，集成小芯片和組裝它們比聽起來要困難得多。大型芯片制造商通過構(gòu)建小芯片的底盤來實現(xiàn)這一目標(biāo)。這允許在特定參數(shù)內(nèi)設(shè)計小芯片，例如面積、噪聲（電磁、功率、基板等）、互連位置、材料相互作用和許多其他特性。但他們也使用一組對他們的設(shè)計很重要的狹窄參數(shù)來解決問題。

圖 2：AMD 的 EPYC Gen 4 處理器使用小芯片來實現(xiàn)不同應(yīng)用的可擴(kuò)展性。來源：AMD/2023 年熱門芯片

圖 3：英特爾基于計算小芯片及其多芯片互連橋 (EMIB) 的可擴(kuò)展至強(qiáng)架構(gòu)。來源：英特爾/Hot Chips 2023

英特爾的小芯片方法類似。Advantest America 負(fù)責(zé)美國應(yīng)用研究和技術(shù)的副總裁 Ira Leventhal 表示：「即使你有一套能夠很好地協(xié)同工作的小芯片指南，你仍然會遇到各種工藝變化、封裝變化等等。您可以提供芯片匹配和支持左移等功能，以便更快地發(fā)現(xiàn)缺陷，這樣就不會產(chǎn)生大量的包裝成本和廢料。但在這個更復(fù)雜的環(huán)境中，如何優(yōu)化產(chǎn)量？這確實很重要，即使您有一組可以一起發(fā)揮作用的最佳事物。需要在各個步驟中采取更多措施才能完成這一任務(wù)?！?/span>

小芯片還被高度針對性地用于其他設(shè)計，由 OSAT 將它們集成到先進(jìn)的封裝中。在這種情況下，它們就像 加密 IP 一樣使用，而不是作為基于芯片的設(shè)計的一部分。

「我們看到我們的客戶使用小芯片進(jìn)行高性能計算以及網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，」日月光高級工程總監(jiān)歐力在最近的 CHIPCon 小組會議上表示?！杆麄冴P(guān)心性能和信號完整性。例如，您可以使用光纖 I/O 來替代高速 SerDes。因此，現(xiàn)在小芯片正在多個市場和多種應(yīng)用中使用，并且未來的采用率將會越來越高?！?/span>

對于商業(yè)市場，關(guān)于小芯片如何準(zhǔn)確表征的標(biāo)準(zhǔn)仍在制定中。盡管如此，這種方法還是有一些明顯的優(yōu)點(diǎn)。由于小芯片比光罩尺寸的 SoC 更小，因此良率通常更高。真正的集成挑戰(zhàn)來自小芯片的外部。還存在一些挑戰(zhàn)，包括如何在組裝后單獨(dú)測試和檢查它們，以及如何測量芯片移位等內(nèi)容。例如，特定用例的動態(tài)功率密度可能會因電阻和靜態(tài)漏電流而增加熱量。這反過來會導(dǎo)致翹曲，從而對將小芯片固定到位的鍵產(chǎn)生壓力。處理所有這些問題需要新的流程來在設(shè)計周期的早期解決這些問題，以及新的設(shè)備和全新的工藝步驟。

Chiplet 的優(yōu)勢

使用 Chiplet 有三個主要原因。

首先，無論工藝節(jié)點(diǎn)如何，它們都可以混合和匹配，這顯著降低了開發(fā)半導(dǎo)體器件的成本?！鸽S著這些特定領(lǐng)域的架構(gòu)越來越專業(yè)化，如果它真正推動我們?yōu)槊糠N架構(gòu)采用差異化技術(shù)，它有可能對晶圓廠、設(shè)備制造商和生態(tài)系統(tǒng)的其他部分產(chǎn)生巨大的顛覆性，」他說。Lam Research 計算產(chǎn)品公司副總裁 David Fried 在 SEMI 最近舉行的關(guān)于計算未來的小組討論中發(fā)言。「如果你回顧 15 到 20 年前，當(dāng)單片集成節(jié)點(diǎn)一個接一個地緩慢前進(jìn)時，我們將異構(gòu)集成所需的一些流程創(chuàng)新視為附加的。但現(xiàn)在，如果你看看到達(dá)下一個節(jié)點(diǎn)的成本，特別是單片集成的成本，那么突然之間這些異構(gòu)集成過程似乎真的很便宜?！?/span>

其次，小芯片可以換入或換出設(shè)計，以針對特定領(lǐng)域和應(yīng)用進(jìn)行定制。這使得芯片制造商能夠創(chuàng)建高度針對特定應(yīng)用的設(shè)計，為更特定的領(lǐng)域和用例定制類似的芯片，無需從頭開始重新創(chuàng)建所有內(nèi)容即可更新它們，并添加比單個芯片上可用的更多功能。

英特爾硅架構(gòu)工程師 Swadesh Choudhary 表示：「當(dāng)我們期待擁有不同的技術(shù)節(jié)點(diǎn)時，我們可以將它們混合搭配在一起，并將一些模擬內(nèi)容保留在比最新技術(shù)更穩(wěn)定的技術(shù)中。您可以將不同的加速器與相同的計算引擎集成，并可能通過針對不同應(yīng)用程序的定制包加快上市時間。通過封裝中的小芯片，您可以更輕松地做到這一點(diǎn)?！?/span>

小芯片的第三個主要好處是，即使是首次設(shè)計，它們也可以顯著加快上市時間，從而使芯片制造商能夠更快地進(jìn)入市場。

「歸根結(jié)底，問題在于 PPA 和上市時間，」Amkor Technology 的小芯片/FCBGA 集成副總裁 Mike Kelly 說道。「這從高端開始。數(shù)據(jù)中心的人員首先推動了它，也許也是最困難的。但它正在滲透到我們今天看到的每一個計算機(jī)類中，數(shù)據(jù)中心、個人電腦市場和手機(jī)市場。汽車正變得計算密集型，并面臨著與其他汽車相同的限制?，F(xiàn)代節(jié)點(diǎn)價格昂貴，晶圓成本也很高。你可以通過突破真正高性能的部件來管理它。這是一條很長的 S 曲線但它肯定是在向新的地方過渡?！?/span>

并且有充分的理由。Synopsys 首席戰(zhàn)略官 Antonio Varas 在 SEMI 活動上指出，目前只有約 35% 的芯片設(shè)計項目按計劃進(jìn)行，約 25% 的項目在首次硅片上就取得了成功。與此同時，需求每年以 9% 至 11% 的速度增長，而供應(yīng)量則以 7% 至 9% 的速度增長。到 2030 年，需求預(yù)計將增長 17%，這主要是因為半導(dǎo)體被用于各種新市場和新應(yīng)用。

挑戰(zhàn)

這就是小芯片發(fā)揮作用的地方，要使這一切順利進(jìn)行，需要在各個層面制定標(biāo)準(zhǔn)——而這只是一個開始。

「你肯定需要標(biāo)準(zhǔn)，」臺積電現(xiàn)場技術(shù)解決方案副總裁 Paul Rousseau 說?！高@就是 3DFabric 和 3Dblox 背后的整個理念，并且有多個層次。其中一個級別是 EDA 端或 I/O，UCIe 正在成為芯片間通信的標(biāo)準(zhǔn)。除非有巨大的好處，否則為什么要使用不同類型的 I/O？另一件事是在硅本身或封裝上。挑戰(zhàn)之一是每個人都有一個奇特的想法。這需要大量的開發(fā)時間才能證明。因此，我們正在努力讓人們采用標(biāo)準(zhǔn)解決方案。這就是我們對硅所做的事情。我們有設(shè)計規(guī)則和模型，我們知道會起作用。封裝也有同樣的目標(biāo)。這并不是每次都重新發(fā)明輪子。」

最初，這意味著商用小芯片的選擇更加有限。但這是否意味著不太優(yōu)化的設(shè)計更難確定，因為將 SoC 分解為不同的強(qiáng)化功能可以讓設(shè)計團(tuán)隊更輕松地確定這些功能的優(yōu)先級并劃分設(shè)計。如果有標(biāo)準(zhǔn)來規(guī)定不同的芯片如何組合在一起以及如何測試它們，那么隨著時間的推移，它們可能會比一次性的設(shè)計更加可靠。

芯片設(shè)計的重大變化之一是關(guān)注數(shù)據(jù)如何在芯片中移動，隨著需要處理的數(shù)據(jù)量持續(xù)增長，這一點(diǎn)非常重要。這引發(fā)了一系列變化，例如新材料和不同的設(shè)備組裝方式?；旌湘I合是人們高度關(guān)注的領(lǐng)域之一。由于需要比標(biāo)準(zhǔn)互連更快地傳輸視頻和大型圖像，這種技術(shù)首先在圖像傳感器中實現(xiàn)。例如，UMC 于 2023 年 2 月與 Cadence 簽署了一項協(xié)議，提供一個可以加速這一過程的平臺，特別是對于成熟節(jié)點(diǎn)，這是許多小芯片將被開發(fā)的地方。

舉例來說，目前最快的一些計算機(jī)使用的組件，如商用的 ARM 內(nèi)核。關(guān)鍵在于數(shù)據(jù)路徑和與內(nèi)存的物理連接、軟硬件協(xié)同設(shè)計以及人工智能/機(jī)器學(xué)習(xí)的稀疏算法。隨著計算變得更加分散，例如汽車和便攜式設(shè)備與智能城市基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行通信，真正的價值可能不再在于誰創(chuàng)造了最快的處理器，而更多地在于無縫連接。

更大的挑戰(zhàn)可能在業(yè)務(wù)方面。「問題是這是否會轉(zhuǎn)化為商業(yè)小芯片市場，您可以從第三方以低廉的價格采購它并將其集成到您的設(shè)計中，」Varas 說?！改枰牟粌H僅是標(biāo)準(zhǔn)接口。這里有一個商業(yè)模式的問題。如何鑒定小芯片的資格？你如何測試它們？所以標(biāo)準(zhǔn)接口將會出現(xiàn)。但第二部分并不像 IP 模型的演變那么簡單。情況要復(fù)雜得多。這項技術(shù)可能是可行的，但它還包括商業(yè)模式、供應(yīng)鏈協(xié)調(diào)等等?！?/span>

此外，商業(yè)小芯片還存在數(shù)據(jù)共享的問題。大型芯片制造商的一大優(yōu)勢是能夠在公司內(nèi)部共享數(shù)據(jù)，以便可以針對最終應(yīng)用或用例優(yōu)化小芯片。不同公司之間交換數(shù)據(jù)要困難得多，因為公司非常擔(dān)心數(shù)據(jù)泄露或被盜。

「有數(shù)據(jù)安全，也有數(shù)據(jù)共享，」林氏集團(tuán)的弗里德說?！高@些并不相互排斥，人們必須消化這一點(diǎn)。我們開始打破使用云來完成我們害怕使用云的事情的障礙。我們正在努力解決的是數(shù)據(jù)共享以獲得更高的價值。飛機(jī)就是一個例子。這些飛機(jī)的所有者與飛機(jī)發(fā)動機(jī)制造商共享數(shù)字孿生和數(shù)字線程的維護(hù)記錄和數(shù)據(jù)，并且他們可以對故障進(jìn)行建模并進(jìn)行預(yù)測性維護(hù)。航空航天行業(yè)的一些公司正在與所有這些不同的公司共享其產(chǎn)品的私密數(shù)據(jù)，這對所有這些公司都有好處。這種情況在我們的行業(yè)中并沒有發(fā)生太多。這種情況發(fā)生在銀行業(yè)，就像當(dāng)你刷信用卡時，它會立即檢查是否存在欺詐行為。這些模型建立在來自多個不同銀行的數(shù)據(jù)之上，并且全部聯(lián)合在一起。這就是我們作為一個行業(yè)失敗的地方，因為我們在整個生態(tài)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享方面落后于銀行業(yè)和航空航天業(yè) 10 年?！?/span>

系統(tǒng)與芯片

設(shè)計方面還存在其他挑戰(zhàn)。將小芯片集成到封裝中使設(shè)計問題遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了單個芯片的范圍?，F(xiàn)在它是需要協(xié)同工作的芯片的集合，并且不再由單個團(tuán)隊在一個地點(diǎn)開發(fā)。

「我們已經(jīng)從設(shè)計芯片轉(zhuǎn)向設(shè)計系統(tǒng)，」Synopsys 的 Varas 說道?！肝覀冋谔幚砣齻€主要問題。我們有新的復(fù)雜性向量，這需要系統(tǒng)設(shè)計的并行化。而且我們還缺乏人才。如今，60% 的 EDA 用戶是經(jīng)典半導(dǎo)體公司。另外 40% 是超大規(guī)模企業(yè)、初創(chuàng)公司以及 ASIC 或 IP 供應(yīng)商。2019 年至 2022 年間，先進(jìn)芯片的設(shè)計啟動數(shù)量增加了 44%，但不斷擴(kuò)大的生態(tài)系統(tǒng)也加劇了碎片化。有更多的選擇和復(fù)雜性，這增加了設(shè)計的破壞性?！?/span>

日月光公司的李對此表示同意?！冈O(shè)計師需要采取與過去不同的做法，過去以 PCB 為中心，使用 GUI 為主的設(shè)計工具，」她說?！杆麄儾恍枰O(shè)計扇出或有源中介層。因此，舊的封裝設(shè)計人員現(xiàn)在必須管理 LVS（布局與原理圖）、CRV（約束隨機(jī)驗證）測試的 IC 級工具，并可能運(yùn)行一些 SIPO（串行輸入/并行輸出）分析。我們需要與客戶擁有相同的波長。此外，封裝變得越來越大，為了控制翹曲，需要材料和工藝技術(shù)的創(chuàng)新。我們需要擁有已知良好的芯片、已知良好的模塊，并且我們需要進(jìn)行多次測試插入以確保每個過程都良好并且能夠產(chǎn)出。最后，組件級測試將不再通過，這就是我們采用和實施系統(tǒng)級測試的原因。」

結(jié)論

Chiplet 在某個時候?qū)兊闷毡?。根本沒有足夠的體積來支持縮小芯片上所有部件的成本，最終公司將專注于他們最擅長的事情，并讓其他人開發(fā)對競爭力或差異化沒有貢獻(xiàn)的組件他們的產(chǎn)品。

主要問題（至少在最初）與尋找將小芯片集成到設(shè)備中的標(biāo)準(zhǔn)方法有關(guān)，確保它們隨著時間的推移按預(yù)期工作，以及如何共享數(shù)據(jù)以便行業(yè)能夠快速發(fā)展。其中包括業(yè)務(wù)和技術(shù)問題，而且數(shù)量很多。盡管大型芯片制造商基本上都在單干，但隨著成本受到嚴(yán)格審查，以及競爭為一些零部件創(chuàng)造了公平的競爭環(huán)境，這種情況將發(fā)生變化。但所有這些因素變化的速度有多快，以及是什么提供了競爭優(yōu)勢，將因市場、公司以及整個行業(yè)突然出現(xiàn)的技術(shù)、商業(yè)和地緣政治的新發(fā)展而有所不同。

Chiplet 的方向是明確的，有足夠的力量在推動它。但在短期內(nèi)，甚至可能更長時間內(nèi)，時機(jī)、獨(dú)特的挑戰(zhàn)和生態(tài)系統(tǒng)合作仍將更加難以應(yīng)對。