3nm、2nm、18A......，艱難向前的先進制程，越來越難以匹配高算力芯片的迭代需求。在摩爾定律搖搖欲墜的共識下，系統(tǒng)級優(yōu)化正被寄予更多的厚望，尤其是Chiplet這項技術(shù)的廣泛應(yīng)用和落地，業(yè)界早已迫不及待，因為它既是高端芯片突破制程瓶頸的法寶，也是先進工藝資源有限地區(qū)得以四兩撥千斤的利器。

Chiplet的優(yōu)勢

實際上，除了芯片層面以外，業(yè)界長期以來一直都有嘗試在系統(tǒng)層面著手，提升整體性能和降低功耗。從多芯片模塊（Multichip Module，MCM）到系統(tǒng)級芯片（System on Chip，SoC），再到系統(tǒng)級封裝（System in Package，SiP），這些方案都是通過集成來優(yōu)化系統(tǒng)表現(xiàn)。

因此，如果將整個系統(tǒng)作為一顆芯片來看，系統(tǒng)層級的摩爾定律仍然可以持續(xù)下去。芯原股份創(chuàng)始人、董事長兼總裁戴偉民在提出SiP概念時就指出，SiP是一種廣義上的系統(tǒng)級芯片（SoC），因此SiP是一個大規(guī)模的芯片，而不是一個小型化的印制電路板（PCB）。

SiP在封裝內(nèi)的芯片互聯(lián)速度較低，難以滿足高性能計算的需求，Chiplet技術(shù)則進一步發(fā)展了這一理念，其核心在于將單顆芯片拆分為多個功能模塊（芯粒），每個芯粒可以采用最適合其功能的制程工藝獨立制造，再通過先進封裝技術(shù)集成到一起。

通過這種模塊化的設(shè)計方式，Chiplet技術(shù)顯著降低了生產(chǎn)成本，同時提升了性能和功耗效率。例如，邏輯核心可以采用最先進的制程工藝，而接口（I/O）模塊則使用相對成熟的工藝，因為移植模擬電路需要較長時間，從而縮短了設(shè)計周期，提高了芯片設(shè)計與迭代的靈活性，最終更好地平衡了芯片設(shè)計周期、成本和性能。

Chiplet技術(shù)的三大關(guān)鍵要素與難點

Chiplet的成功落地，不能只靠某一個環(huán)節(jié)，這是一個龐大的系統(tǒng)工程。戴偉民認(rèn)為，Chiplet的三要素包含IP、芯片設(shè)計，以及互聯(lián)封裝，這三要素缺一不可。

毫無疑問，Chiplet技術(shù)發(fā)展的基石便是優(yōu)質(zhì)可靠且完善的IP儲備，推動IP向芯片化的芯粒去進階。此外，每個芯粒的功能模塊都需要獨立性和高效互聯(lián)性，這要求IP模塊具備高度的標(biāo)準(zhǔn)化和復(fù)用性。例如，不同種類的IP（如處理器核心、存儲單元和I/O模塊）之間的無縫整合能力，以及與不同廠商IP間的互操作性，是實現(xiàn)高效Chiplet設(shè)計的關(guān)鍵。此外，推動通用標(biāo)準(zhǔn)如UCIe（Universal Chiplet Interconnect Express）對增強芯粒間的兼容性和擴展性起到了重要作用。作為中國大陸第一批加入UCIe聯(lián)盟的企業(yè)，芯原股份積極參與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定工作，并已經(jīng)完成了UCIe/BoW兼容的物理層接口等設(shè)計案例。

而作為國內(nèi)領(lǐng)先的IP提供商，芯原股份已建立起強大的IP儲備體系，包括6大數(shù)字處理器IP（GPU、NPU、VPU、DSP、ISP、顯示處理器）和超過1600個數(shù)模混合及射頻IP。這些已經(jīng)獲得市場驗證的豐富的IP組合為Chiplet設(shè)計提供了靈活性和可復(fù)用性，確保了系統(tǒng)級性能優(yōu)化和開發(fā)周期縮短。

芯粒化設(shè)計對芯片設(shè)計能力提出了更高要求，設(shè)計者需要將不同的IP組合形成完整的解決方案，同時也要有能力通過模塊化設(shè)計將大芯片功能拆解為多個高效協(xié)作的小芯粒。在這一過程中，必須充分考慮到模塊間的功耗管理、性能優(yōu)化以及高速通信的需求，所有因素都需要在芯片設(shè)計端擁有相當(dāng)高的技術(shù)深度。

芯原股份憑借其一站式芯片設(shè)計服務(wù)，已為全球客戶設(shè)計了數(shù)千款芯片產(chǎn)品，覆蓋從先進的4nm/5nm FinFET到成熟的邏輯工藝節(jié)點，以及28nm/22nm FD-SOI工藝節(jié)點，積累了豐富的模塊化設(shè)計和拆分整合量產(chǎn)經(jīng)驗。此外，芯原也已經(jīng)為客戶成功設(shè)計并量產(chǎn)了基于Chiplet架構(gòu)的高性能計算芯片，面向數(shù)據(jù)中心和汽車應(yīng)用。這使芯原能夠根據(jù)客戶需求，靈活配置不同工藝或產(chǎn)線的IP組合，完成復(fù)雜的Chiplet設(shè)計。

最后，互聯(lián)與封裝是Chiplet技術(shù)最終實現(xiàn)的關(guān)鍵步驟，其難點在于如何將多個小芯粒“拼”成一個高效整體。小芯片間的互聯(lián)需要解決信號完整性、功耗分布以及熱管理等問題。此外，拼接過程中還需考慮良率與成本之間的平衡，特別是在復(fù)雜封裝環(huán)境下維持系統(tǒng)的可靠性。

芯原股份在封裝集成方面具備豐富經(jīng)驗，其一站式設(shè)計服務(wù)貫穿從IP設(shè)計、芯片設(shè)計到封裝的全流程，積累了大量的先進封裝技術(shù)實踐，包括先進的CoWoS封裝技術(shù)。

在ICCAD 2024期間，戴偉民特別提到，面板級封裝（PLP）技術(shù)方案，能夠在更大的基板上實現(xiàn)高密度集成，不僅降低了封裝成本，還顯著提升散熱性能和系統(tǒng)可靠性。此外，玻璃基板技術(shù)憑借其尺寸穩(wěn)定性、低熱膨脹系數(shù)和更高的精度，已成為下一代封裝技術(shù)的重要發(fā)展方向。

Chiplet的兩大著陸點：高端智駕和云側(cè)數(shù)據(jù)中心

雖然Chiplet作為一項系統(tǒng)級的概念，能夠應(yīng)用于大多數(shù)芯片，但也無法在所有應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)快速落地。在戴偉民看來，當(dāng)前Chiplet技術(shù)將率先實現(xiàn)應(yīng)用落地的，莫過于高端智駕和云側(cè)數(shù)據(jù)中心這兩個領(lǐng)域，這兩個場景的高算力需求和設(shè)計復(fù)雜性使得Chiplet成為理想選擇。

高端自動駕駛芯片需要同時滿足高性能計算、低延遲、低功耗和高可靠性的綜合需求。傳統(tǒng)的大芯片設(shè)計雖能提供算力支持，但隨著汽車智能化程度越來越高，智駕系統(tǒng)的單芯片面積也越來越大，成本和良率，以及散熱、功耗管理和系統(tǒng)可靠性方面均存在顯著挑戰(zhàn)，而Chiplet技術(shù)能夠通過模塊化設(shè)計巧妙化解這些難題。例如，將傳感器數(shù)據(jù)處理、AI計算和控制功能分解為獨立芯粒，各自采用最優(yōu)制程工藝，既提升了整體性能，又優(yōu)化了散熱效率。

此外，近年來，越來越多車企開始嘗試自研芯片，但完整開發(fā)一款高性能SoC成本極為高昂，研發(fā)周期也顯著拉長。Chiplet技術(shù)為車企提供了更高效的解決方案：通過復(fù)用已有較為通用的Chiplet顆粒，僅需設(shè)計核心模塊，車企便可快速推出高性能芯片。這種方式不僅大幅降低了研發(fā)和生產(chǎn)投入，還能實現(xiàn)更快的產(chǎn)品迭代。目前，Chiplet模式已在汽車產(chǎn)業(yè)鏈中形成共識，博世、瑞薩等頭部企業(yè)都已公布了相關(guān)布局。未來，隨著Chiplet生態(tài)的完善，預(yù)計更多車企將基于Chiplet技術(shù)開發(fā)自研芯片，打造針對不同車型和應(yīng)用場景的定制化解決方案。

云側(cè)數(shù)據(jù)中心作為高性能計算的核心領(lǐng)域，對芯片的需求集中在計算密度、性能效率和能耗優(yōu)化。當(dāng)前，主流服務(wù)器芯片幾乎都采用了Chiplet架構(gòu)，通過系統(tǒng)級優(yōu)化顯著提升性能。比如，Chiplet的模塊化特性使得每個功能模塊可以選擇最優(yōu)工藝節(jié)點，這種靈活組合在提高整體性能的同時，還降低了成本。

在人工智能浪潮下，云側(cè)數(shù)據(jù)中心需要處理大量復(fù)雜計算任務(wù)，而我國在先進制程獲取上的受限問題更加凸顯。Chiplet技術(shù)通過協(xié)同多工藝節(jié)點，最大化利用現(xiàn)有資源，為國內(nèi)高性能計算芯片提供了重要路徑。正如魏少軍教授在ICCAD 2024所言：“現(xiàn)在情況變了，需要我們在技術(shù)創(chuàng)新上更為關(guān)注不依賴先進工藝的設(shè)計技術(shù)，一是架構(gòu)的創(chuàng)新，二是微系統(tǒng)集成。”

這表明，Chiplet技術(shù)不僅是系統(tǒng)優(yōu)化的利器，更是彌合工藝鴻溝的重要選擇。

此外，Chiplet的高度模塊化還讓云側(cè)數(shù)據(jù)中心可以根據(jù)實際需求靈活調(diào)整芯粒配置。例如，針對不同負(fù)載需求調(diào)整計算模塊的規(guī)模或種類，使得系統(tǒng)更具可定制性和能效比，這種優(yōu)勢為我國云側(cè)數(shù)據(jù)中心行業(yè)實現(xiàn)自主可控的高性能計算芯片奠定了堅實基礎(chǔ)。

結(jié)語

Chiplet的三大要素——優(yōu)質(zhì)且豐富的IP儲備、強大的芯片設(shè)計能力與互聯(lián)封裝技術(shù)創(chuàng)新，是推動半導(dǎo)體行業(yè)變革的重要基石。豐富的優(yōu)質(zhì)IP讓模塊化成為可能，芯片設(shè)計能力將繁雜的功能拆解并重組，而封裝技術(shù)則將這些芯粒“拼接”成一個有機整體。未來，隨著這些要素的協(xié)同推進，Chiplet將持續(xù)突破傳統(tǒng)的邊界，為芯片行業(yè)注入無盡可能。

每當(dāng)仰望夜空，閃耀的星辰各自獨立卻又交相輝映，Chiplet的未來亦是如此。每一個獨立的芯粒在技術(shù)的天穹中熠熠生輝，共同織就一個更高效、更智能、更可控的芯片生態(tài)。

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