Chiplet，后摩爾時(shí)代國產(chǎn)芯片彎道超車的機(jī)會？

t圖源：攝圖網(wǎng)

作者|關(guān)注硬件的 來源|奇偶派(ID：jioupai)

2023年3月24日，半導(dǎo)體行業(yè)先驅(qū)、英特爾聯(lián)合創(chuàng)始人、“摩爾定律”提出者戈登·摩爾在他夏威夷的家中去世，享年94歲。伴隨著戈登·摩爾的去世，似乎他提出的摩爾定律也正在逐漸成為歷史長河中的一個名詞。

而現(xiàn)實(shí)也似乎確實(shí)如此，近年來，伴隨著半導(dǎo)體行業(yè)的制程工藝即將逼近物理極限，帶來的就是每一代晶體管密度的增速在放緩，芯片主頻的提升速度更慢，性能的改善越來越難。

這一切的現(xiàn)實(shí)，看起來都在印證一件事——摩爾定律正逐漸邁向最后極限。

也正是在這樣的背景下，英偉達(dá)的創(chuàng)始人、CEO黃仁勛表示，以類似成本實(shí)現(xiàn)兩倍業(yè)績預(yù)期對于芯片行業(yè)來說已成為過去，“簡而言之，摩爾定律已經(jīng)死了。”

但是，也有科技巨頭并不這么認(rèn)為，在Intel Innovation 2022的開幕活動上，英特爾現(xiàn)任CEO帕特·基辛格聲嘶力竭地表示，“摩爾定律”沒有死，它還活得好好的。

而與英特爾持有同樣態(tài)度的，還有英偉達(dá)的老對手AMD。最近，蘇姿豐在接受《巴倫周刊》的采訪中，她明確地表示，摩爾定律當(dāng)前并未消亡，只是有所放緩，當(dāng)前我們需要采取不同的方式來克服性能、效率和成本上的挑戰(zhàn)。

她提到：“晶體管成本的增加、密度提高帶來的改進(jìn)，每一代的綜合性能提升可能都不大，但我們通過不斷地更迭，一步一步地向前邁進(jìn)。我們今天在 3nm 方面做了很多工作，也在研究 2nm，將繼續(xù)使用 Chiplet 這類結(jié)構(gòu)來繞過摩爾定律的一些挑戰(zhàn)。”

那么，為什么說黃仁勛認(rèn)為摩爾定律已經(jīng)死了？為什么英特爾、AMD、臺積電等巨頭卻因Chiplet技術(shù)而信心滿滿？在3nm工藝良率不高、1nm及以下工藝尚不明朗的情況下，Chiplet又是怎樣掀起一場架構(gòu)創(chuàng)新層面的革命？對我國被卡脖子的芯片企業(yè)又有多大的幫助呢？

本文將以Chiplet走到臺前的原因，國際各大廠商應(yīng)用狀況，國內(nèi)受益產(chǎn)業(yè)鏈及相關(guān)公司的順序展開，以期為讀者展現(xiàn)新技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r及投資機(jī)會。

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Chiplet 走到臺前，是一種必然

從1987年的1um制程到2015年的14nm制程的發(fā)展歷程中，集成電路制程的迭代大致符合“摩爾定律”的規(guī)律，隨著工藝進(jìn)步，集成電路上晶體管密度不斷提升，驅(qū)動計(jì)算機(jī)性能保持幾何級數(shù)增長，而性能的快速提升也推動了芯片價(jià)格迅速下降。

但自2015年以來，集成電路先進(jìn)制程的發(fā)展開始放緩，7nm、5nm、3nm制程的量產(chǎn)進(jìn)度均落后于預(yù)期。

而隨著臺積電宣布2nm制程工藝實(shí)現(xiàn)突破，量子物理的影響也逐漸顯著了起來，現(xiàn)有集成電路制程工藝已經(jīng)接近了物理尺寸的極限，因此很難進(jìn)一步往前推進(jìn)，摩爾定律發(fā)展陷入瓶頸，行業(yè)也正式進(jìn)入了“后摩爾時(shí)代”。

資料來源：AMD

而在量子物理效應(yīng)極大地制約了摩爾定律的正常延續(xù)外，先進(jìn)制程推進(jìn)所帶來的經(jīng)濟(jì)效益也正在銳減。

根據(jù)IBS報(bào)告，以全球某領(lǐng)先智能手機(jī)公司為例，其晶體管的生產(chǎn)成本在16nm工藝節(jié)點(diǎn)下為每10億個晶體管4.98美元，而7nm工藝節(jié)點(diǎn)下為2.65美元。但是整體來說，摩爾定律持續(xù)推進(jìn)所帶來的成本下降正在逐步放緩，并逐漸難以覆蓋昂貴研發(fā)成本的投入。

那么，在摩爾定律的經(jīng)濟(jì)效益快速降低、先進(jìn)制程難以突破物理極限的情況下，集成電路產(chǎn)業(yè)就只能止步不前了嗎？

答案自然是否，在先進(jìn)制程之外，先進(jìn)封裝與架構(gòu)創(chuàng)新同樣能夠在一定程度上彌補(bǔ)先進(jìn)制程的缺失，使用面積和芯片的堆疊來換取算力和性能，而這就需要引入系統(tǒng)級別的新設(shè)計(jì)理念，而Chiplet便是其中之一。

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。

隨著對芯片性能的要求日益提高，傳統(tǒng)單片SoC變得太大且成本過高，良率風(fēng)險(xiǎn)也逐漸攀升。在此背景下，集成電路產(chǎn)業(yè)開始思考將不同工藝的模塊化芯片進(jìn)行組合封裝。

Chiplet將復(fù)雜SoC芯片拆解成一組具有單獨(dú)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，可以降低成本，減少浪費(fèi)，并大大改善可靠性。

而其底層的實(shí)現(xiàn)原理與搭積木相仿，從設(shè)計(jì)時(shí)就按照不同的計(jì)算單元或功能單元對其進(jìn)行分解，然后每個單元選擇最適合的工藝制程進(jìn)行制造，再將這些模塊化的裸片互聯(lián)起來，通過先進(jìn)封裝技術(shù)，將不同功能、不同工藝制造的Chiplet封裝成一個系統(tǒng)芯片，以實(shí)現(xiàn)一種新形式的IP復(fù)用。

資料來源：芯原股份公告

與傳統(tǒng)的SoC相比，Chiplet在設(shè)計(jì)靈活度、設(shè)計(jì)與生產(chǎn)成本、上市周期等方面有著明顯的優(yōu)勢。

首先，Chiplet在很大程度上降低芯片設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度，有效降低研發(fā)與設(shè)計(jì)成本。

Chiplet芯粒設(shè)計(jì)靈活，且可重復(fù)使用，可以僅對芯片上的部分單元進(jìn)行選擇性選代，即可制作出下一代產(chǎn)品，加速產(chǎn)品上市周期。并且，Chiplet通過采用已知合格裸片進(jìn)行組合，也能有效縮短芯片的研發(fā)周期及節(jié)省研發(fā)投入。

據(jù)悉，設(shè)計(jì)28nm芯片的平均成本為 4000 萬美元，設(shè)計(jì) 7nm 芯片的成本上升至 2.17 億美元。而The Linley Group的白皮書中提出，Chiplet技術(shù)可以將大型7nm設(shè)計(jì)的成本降低 25%。

資料來源：英特爾，中航證券研究所

其次，Chiplet能夠顯著提高大型芯片的良率，降本增效。

傳統(tǒng)的SoC將多個不同類型計(jì)算任務(wù)的計(jì)算單元以光刻形式集成在同一片晶圓上，隨著先進(jìn)制程不斷推進(jìn)，單位面積上集成的晶體管數(shù)量越來越多，芯片生產(chǎn)中的工藝誤差和加工缺陷顯得愈發(fā)明顯，也對制造過程中的芯片良率提出較高挑戰(zhàn)，因?yàn)橐粋€微小的缺陷就可能導(dǎo)致整個大芯片報(bào)廢。

而Chiplet方案則通過將大芯片分成更小的芯片的方法，將單一裸片面積做小，這樣就算有缺陷出現(xiàn)，也只會導(dǎo)致缺陷所在位置的小芯片報(bào)廢，而不會導(dǎo)致整個芯片無法使用，有效地提高了芯片的良率。

資料來源：英特爾，中航證券研究所

最后，Chiplet還可以通過更加更加合適的制程選擇大幅降低芯片制造成本，縮短上市周期。

傳統(tǒng)SoC中的每個邏輯計(jì)算單元對性能要求都很高，整體依賴先進(jìn)制程，具有極高的生產(chǎn)壁壘與制造成本；Chiplet 方案則可針對不同的模塊采取不同合適的制程，分別進(jìn)行制造或是對外進(jìn)行采購，最后采用先進(jìn)的封裝技術(shù)進(jìn)行組裝，將相對落后制程的芯片與先進(jìn)制程的芯片相組合，大幅降低了芯片的制造成本。

此外，還可以對不同芯片進(jìn)行分別選擇性地迭代，而迭代部分裸芯片后便可制作出下一代產(chǎn)品，大幅縮短產(chǎn)品上市周期。

進(jìn)入后摩爾時(shí)代，SoC開始在供電、功耗和散熱等方面力有不逮、設(shè)計(jì)生產(chǎn)全流程成本大幅增加、制程工藝接近極限之時(shí)，Chiplet 作為當(dāng)下較最關(guān)注的半導(dǎo)體發(fā)展方向之一，能夠有效降低能夠有效降低芯片設(shè)計(jì)與制造的門檻，或?qū)⒊蔀槲磥硎當(dāng)?shù)年中下提升芯片集成度與算力的重要途徑。

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蘋果華為英特爾AMD

力推Chiplet產(chǎn)品化落地

在如此多的優(yōu)勢之下，Chiplet自然得到了眾多國際巨頭的青睞，而Chiplet技術(shù)的內(nèi)部，也分為了兩大技術(shù)門派。

一類是基于功能劃分到多個Chiplets，而每個Chiplet不包含完整功能集合，而是通過不同Chiplets組合封裝實(shí)現(xiàn)不同類型的產(chǎn)品，其中的主流代表有華為的Huawei  Lego架構(gòu)與超威半導(dǎo)體的AMD Zen2/3架構(gòu)。

而另一類則是每個Chiplet中都包含較為獨(dú)立完整的功能集合，通過多個Chiplets級聯(lián)來獲得性能的線性增長，其中的主流代表有蘋果的Apple M1 Ultra和英特爾的Intel Sapphire Rapids。

其中，AMD作為引領(lǐng)Chiplet風(fēng)潮、產(chǎn)品化進(jìn)度最快的廠商，其自2019年的Zen 2架構(gòu)便開始采用Chiplet技術(shù)，基于Zen 2架構(gòu)的產(chǎn)品在單/多核處理能力上均有很大提升，能耗比改善明顯。

使用了Chiplet技術(shù)的第二代霄龍?zhí)幚砥髋c第一代相比，核數(shù)增加了100%，晶體管數(shù)增加了102%至380億，而硅片面積僅增加了18%，這充分顯示了7nm制程下高密度優(yōu)勢。此外，第二代的整數(shù)和浮點(diǎn)運(yùn)算性能也分別提升了144%和97%。

此后，AMD也聯(lián)手臺積電，借助臺積電先進(jìn)的封裝工藝，共同推出了3D Chiplet產(chǎn)品，并于2022年推出了 RDNA3 架構(gòu)的 7000 系顯卡，而這也是史上第一款采用Chiplet技術(shù)的 GPU。

在3D Chiplet技術(shù)的支撐下，AMD產(chǎn)品的競爭力逐漸提升，近兩年來，AMD旗艦CPU、GPU的性能不斷提升，雖然與英特爾相比仍有所欠缺，但市場中已經(jīng)基本形成了兩大寡頭競爭的局面。

同時(shí)，AMD旗下含Chiplet技術(shù)的CPU產(chǎn)品銷量占比不斷提高，在2021年10月至2022年12月間，從約80%上升至97%，讓AMD成為了Chiplet技術(shù)當(dāng)之無愧的代言人。

而在AMD之外，英特爾基于IDM優(yōu)勢，也積累了較為完整的互連技術(shù)優(yōu)勢。

基于IDM的制造優(yōu)勢，英特爾開發(fā)了EMIB（全方位互連硅橋）和Foveros兩種封裝技術(shù)，分別對應(yīng)橫向和縱向之間的連接。英特爾FPGA芯片Stratix 10最早采用了EMIB支持的Chiplet技術(shù)。

2023年，英特爾基于Chiplet技術(shù)發(fā)布了第四代至強(qiáng)可擴(kuò)展處理器和至強(qiáng)CPU Max，以及數(shù)據(jù)中心GPU Max。

資料來源：英特爾官網(wǎng)

至強(qiáng)CPU Max擁有56個性能核，內(nèi)核的4個小芯片使用EMIB連接，進(jìn)行自然語言處理時(shí)高帶寬內(nèi)存優(yōu)勢可提升20倍性能。而數(shù)據(jù)中心GPU Max是英特爾針對高性能計(jì)算加速設(shè)計(jì)的第一款GPU產(chǎn)品，一個封裝中有超過1000億個晶體管，擁有47個不同的塊和高達(dá)128GB的內(nèi)存。

在主攻PC端的廠商之外，蘋果也采用了UltraFusion的架構(gòu)，成功實(shí)現(xiàn)高速互連。

2022年3月，蘋果推出的M1 Ultra芯片，又一次觸動了芯片界的游戲規(guī)則。該是迄今為止蘋果最強(qiáng)大的芯片，盡管很多計(jì)算芯片已采用Chiplet技術(shù)提升性能，但蘋果的“拼裝貨” M1 Ultra卻還是讓PC界震撼。

M1 Ultra 支持高達(dá) 128GB 的高帶寬、低延遲統(tǒng)一內(nèi)存，支持 20 個CPU核心、64個GPU核心和32核神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)引擎，每秒可運(yùn)行高達(dá) 22 萬億次運(yùn)算，提供的 GPU性能是蘋果M1芯片的 8 倍，提供的GPU性能比最新的 16 核 PC 臺式機(jī)還高 90%，而達(dá)到峰值性能時(shí)的功耗則要低100瓦。

而根據(jù)M1 Ultra發(fā)布的UltraFusion圖示，以及蘋果及其代工廠臺積電的公開專利和論文來看，本次M1 Ultra芯片的UltraFusion架構(gòu)，應(yīng)是基于臺積電第五代CoWoS Chiplet技術(shù)的互連架構(gòu)，也正是臺積電在Chiplet技術(shù)中擁有如此先進(jìn)的制造、封裝工藝，才得以實(shí)現(xiàn)蘋果的新架構(gòu)，進(jìn)而震撼業(yè)界。

可以毫不夸張地說，正是因?yàn)楦鞔髲S商不斷進(jìn)行的Chiplet架構(gòu)領(lǐng)域的研究，還有以臺積電為代表等廠商持續(xù)推制造工藝，才讓近年來硬件圈仍能保持較快的發(fā)展速度，而未來對Chiplet的研究，也將繼續(xù)推進(jìn)下去。

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Chiplet，通富微電和芯原股份的機(jī)會？

在國際巨頭們紛紛入局的情況下，國內(nèi)自然也有所涉足，但對于我國來說，Chiplet不僅僅意味著尖端技術(shù)的推進(jìn)，還意味著國產(chǎn)現(xiàn)有半導(dǎo)體制造能力的提升。

我們在與華為負(fù)責(zé)先進(jìn)封測核心技術(shù)的部門研發(fā)總監(jiān)的交流中，對方表示，對于中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)來說，Chiplet技術(shù)是在短期內(nèi)最有機(jī)會破局先進(jìn)制程限制的路線。但雖然相當(dāng)于換到了一個新的賽道，有了更多的機(jī)會，但整體上來說國內(nèi)仍然需要加速追趕，其中封裝作為最有機(jī)會的產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)，涌現(xiàn)了眾多優(yōu)秀的國產(chǎn)廠商與投資機(jī)會。

先進(jìn)封裝技術(shù)是Chiplet 實(shí)施的基礎(chǔ)和前提，而近年來我國封測行業(yè)穩(wěn)步發(fā)展，快速成長。

目前我國集成電路領(lǐng)域整體國產(chǎn)自給率較低，尤其是半導(dǎo)體設(shè)備、材料與晶圓制造等環(huán)節(jié)，與國際領(lǐng)先水平差距較大，而封測為我國集成電路領(lǐng)域最具國際競爭力的環(huán)節(jié)，2022年，中國大陸有4家企業(yè)進(jìn)入全球封測廠商前十名，分別為長電科技、通富微電、華天科技和智路封測。

而其中，通富微電作為深度綁定AMD的廠商，近年來業(yè)績快速增長。

通富微電主要提供集成電路設(shè)計(jì)仿真，圓片中測，封裝，成品測試，系統(tǒng)級測試等一站式服務(wù)，在2022的全球封測廠商中排名第五。公司封裝類型齊全，涵蓋框架類封裝、基板類封裝、晶圓級封裝及COG、COF和SIP等，可以應(yīng)用于眾多消費(fèi)、使用場景。

而得益于技術(shù)的領(lǐng)先， 通富微電目前已與AMD、英飛凌、意法半導(dǎo)體、聯(lián)發(fā)科、長江存儲等國內(nèi)外細(xì)分領(lǐng)域頭部廠商建立了長期穩(wěn)定的合作關(guān)系。而作為深度綁定AMD的封測廠商，通富微電的業(yè)績，也伴隨AMD崛起快速增長。

根據(jù)與通富微電相關(guān)人士的交流，奇偶派得知AMD GPU 80%都是由通富微電來進(jìn)行封測，AMD全系列產(chǎn)品占到了公司收入的五成之上。

通富微電于2016年成功收購了AMD蘇州及AMD馬來西亞檳城各85%股權(quán)，與AMD形成了“合資+合作”的強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合模式，在深度鎖定了AMD供應(yīng)鏈并占據(jù)AMD封測訂單大部分份額的同時(shí)，積極承接國內(nèi)外客戶高端產(chǎn)品的封測業(yè)務(wù)，進(jìn)一步增強(qiáng)了公司業(yè)績確定性。

通富微電營收圖

資料來源：choice，東方財(cái)富證券研究所

而在Chiplet技術(shù)方面，通富微電提前進(jìn)行了2.5D/3D等先進(jìn)封裝技術(shù)布局，公司目前已建成國內(nèi)頂級超大尺寸FCBGA 研發(fā)平臺與2.5D/3D封裝平臺，各項(xiàng)技術(shù)布局進(jìn)展順利。

目前，已經(jīng)開始大規(guī)模生產(chǎn)Chiplet產(chǎn)品，工藝節(jié)點(diǎn)方面，7nm產(chǎn)品成功實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，5nm產(chǎn)品也完成了研發(fā)，進(jìn)入量產(chǎn)前夕， 隨著AMD采用Chiplet技術(shù)的新產(chǎn)品陸續(xù)發(fā)布，公司有望充分受益。

而在封測之外，上游的半導(dǎo)體IP在IC設(shè)計(jì)中，也起著不可或缺的作用。

半導(dǎo)體IP是指集成電路設(shè)計(jì)中預(yù)先設(shè)計(jì)、驗(yàn)證好的功能模塊，位于IC設(shè)計(jì)上游，提供SoC所需的核心功能模塊，該環(huán)節(jié)擁有技術(shù)密集度高、知識產(chǎn)權(quán)集中、商業(yè)價(jià)值昂貴等特征，是集成電路設(shè)計(jì)產(chǎn)業(yè)的核心產(chǎn)業(yè)要素和競爭力體現(xiàn)。

Chiplet則開啟了新型IP復(fù)用模式，將硅片級別的IP進(jìn)行復(fù)用，大大降低了開發(fā)時(shí)間、提高了產(chǎn)品良率與重復(fù)使用率，同時(shí)也給予了芯片IP公司新的發(fā)展機(jī)遇。

而在國內(nèi)，芯原股份作為業(yè)內(nèi)的佼佼者，或?qū)⒔鐲hiplet技術(shù)快速發(fā)展。

芯原股份是國內(nèi)領(lǐng)先的一站式芯片定制服務(wù)和半導(dǎo)體IP授權(quán)服務(wù)企業(yè)，在全球半導(dǎo)體IP授權(quán)供應(yīng)商中排名第七，而IP種類與成長率在全球前七中排名均為前二。

芯原有六大核心處理器IP，分別為圖形處理器IP、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理器IP、視頻處理器IP、數(shù)字信號處理器IP、圖像信號處理器IP和顯示處理器IP，此外還有1400多個數(shù)?；旌螴P和射頻IP。

芯原股份IP數(shù)量示意圖

資料來源：芯原股份招股說明書，東莞證券研究所

而在Chiplet領(lǐng)域的探索上，芯原股份在極早期便前瞻性布局IP芯片化，目前公司已經(jīng)推出了基于Chiplet架構(gòu)所設(shè)計(jì)的高端應(yīng)用處理器平臺，該平臺12nm SoC版本已完成流片和驗(yàn)證，并正在進(jìn)行Chiplet版本的迭代。

此外，芯原還是中國大陸首個加入U(xiǎn)CIe產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的企業(yè)，也意味著受到了國際Chiplet“聯(lián)盟”的認(rèn)可。未來，利用Chiplet技術(shù)進(jìn)行IP芯片化有望讓公司充分受益于尖端技術(shù)發(fā)展，帶來全新商業(yè)模式。

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寫在最后

進(jìn)入后摩爾時(shí)代后，當(dāng)先進(jìn)制程難以推動硬件設(shè)備快速發(fā)展之時(shí)，Chiplet技術(shù)已經(jīng)成為半導(dǎo)體行業(yè)的重要發(fā)展趨勢之一。據(jù)研究機(jī)構(gòu)Omdia數(shù)據(jù)顯示，全球Chiplet處理器芯片市場規(guī)模預(yù)計(jì)到2024年達(dá)58億美元，而到2035年將突破570億美元。

而對于國內(nèi)來說，在先進(jìn)制程發(fā)展被封鎖，難以快速推進(jìn)的情況下，Chiplet也為國產(chǎn)替代開辟了新思路，有望提升中國集成電路產(chǎn)業(yè)綜合競爭力，成為我國集成電路產(chǎn)業(yè)逆境中的突破口之一。

而在這個產(chǎn)業(yè)發(fā)展疊加封鎖突破的大背景下，國內(nèi)相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈也將迎來價(jià)值重塑，產(chǎn)業(yè)鏈中的相關(guān)公司本就實(shí)力充足，也必會在本次更換賽道的發(fā)展中躋身國際龍頭，尋找到新的業(yè)績增長空間。

參考資料：

1.《后摩爾時(shí)代新星，Chiplet與先進(jìn)封裝風(fēng)云際會》，中航證券；

2.《Chiplet與先進(jìn)封裝共塑后摩爾時(shí)代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈新格局》，東方財(cái)富證券；

3.《Chiplet助力半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)彎道超車，先進(jìn)封裝、IC載板、半導(dǎo)體IP等多環(huán)節(jié)受益》，東莞證券；

4.《Chiplet如何助力AI芯片算力跨越》，民生證券；

編者按：本文轉(zhuǎn)載自微信公眾號：奇偶派(ID：jioupai)，作者：關(guān)注硬件的