Chiplet可謂是最近半導體業的熱門單詞。從DARPA的CHIPS項目到Intel的Foveros，都把chiplet看成是未來芯片的重要基礎技術。在摩爾定律奔向3納米、1納米的物理極限之際，IC制造大廠當前也僅有臺積電和三星這兩家家繼續先進工藝制程的爭奪戰，Intel似乎漸漸在放棄先進工藝制程的繼續研發。后摩爾定律時代確已降臨，“小芯片”(Chiplet)便可作為一種解方，可能帶給從上游IC設計、EDA Tools、制造工藝、先進封測等各個產業鏈環節顛覆式的改變，是IC業繼續發展最有效的手段。

　　迄今為止，已經有很多公司早早地創建了自己的chiplet生態系統，包括Marvell的MoChi、英特爾的EMIB以及初創公司zGlue提供的產品。而且早在去年夏天，英特爾就已發布了針對其EMIB封裝技術的開源AIB協議，作為其DARPA研究計劃中小芯片研究的一部分。

　　究竟什么是“Chiplet”？

　　Chiplet是業界為了彌補硅工藝技術增長放緩所做的幾項努力之一。 它們起源于多芯片模塊，誕生于20世紀70年代，最近在AMD的Ryzen和Epyc x86處理器等產品中作為一種節省成本的技術而重新煥發活力。

　　簡單來說，Chiplet就是小芯片，從系統端出發，首先將復雜功能進行分解，然后開發出多種具有單一特定功能，可相互進行模塊化組裝的“小芯片”（Chiplet），如實現數據存儲、計算、信號處理、數據流管理等功能，并最終以此為基礎，建立一個“小芯片”的芯片網絡（未來的電腦系統可能只包含一個CPU芯片和幾個GPU，這些GPU都連接到這個Chiplet芯片上，形成芯片網絡）。

　　Chiplet可以將不同的計算機元件集成在一塊硅片上，來實現更小更緊湊的計算機系統結構。未來計算機的系統結構，可能不是由單獨封裝的芯片制造的，而是在一塊較大的硅片上互連成芯片網絡的IC制造的。

　　Chiplets為何被認為是IC業繼續發展最有效的手段？

　　之所以業界對Chiplets技術感興趣，主要還是受到成本和市場壓力的驅使。隨著芯片制程從10nm縮減到7nm，接下來還要進一步縮減到5nm，每一次制程縮減所需要的成本和開發時間都在大幅提升。而且，當芯片制程接近1nm時，就將進入量子物理的世界，現有的工藝制程會受到量子效應的極大影響，從而很難進一步進步了。

　　每一次制程縮減所需要的成本都有大幅提升（數據來源：International Business Strategies，華夏幸福產業研究院）

　　另外，使用Chiplet技術可以避免Die的尺寸繼續增大，帶來良率的下降；各個Die可以使用不同的最佳工藝，實現更低的成本、更快的上市時間；高度再集成的ASIC可以占用更少的單板面積。

　　因此Chiplets技術是目前看來IC業繼續發展最有效的手段。

　　但是，實現Chiplets技術還存在比較多的技術難點：多Die封裝時的總體良率控制問題，即使單Die 98%的良率，多Die封裝后的總體良率會急劇下降；多Die構成的整芯片的測試、問題定位和問題解決（需要提供專用的接口）；來自不同芯片廠家的Die供應給封裝廠時的進度同步問題。

　　Chiplet技術優缺點對比分析

　　發展Chiplet會遇到哪些挑戰？

　　既然實現Chiplets技術還存在比較多的技術難點，那么下面具體了解下發展Chiplet會遇到以下幾方面的挑戰：

　　首先當然是集成技術的挑戰。Chiplet模式的基礎還是先進的封裝技術，必須能夠做到低成本和高可靠性。此外，集成技術的挑戰還來自集成標準。

　?、倩ヂ摌藴?。首先，設計這樣一個異構集成系統需要統一的標準，即die-to-die數據互聯標準。而且裸芯片到裸芯片的互連方案很昂貴。

　?、诜庋b技術。將多個模塊芯片集成在一個SiP中需要高密度的內部互連線?？赡艿姆桨赣泄鑙nterposers技術、硅橋技術和高密度Fan-Out技術，不論采取那種技術，互連線（微凸）尺寸都將變得更小，這要求互連線做到100%的無缺陷。因為互聯缺陷可能導致整個SiP芯片不工作。

　　除了集成技術之外，chiplet模式能否成功的另一個大問題是質量保障。我們在選擇IP的時候，除了PPA(power,performance and cost)之外，最重要的一個考量指標就是IP本身的質量問題。IP本身有沒有bug，接入系統會不會帶來問題，有沒有在真正的硅片上驗證過等等。在目前的IP復用方法中，對IP的測試和驗證已經有比較成熟的方法。但是對于Chiplet來說，這還是個需要探索的問題。

　?、蹨y試技術。作為一個復雜的異構集成系統，保證SiPs芯片功能正常比SoC更困難。SoC芯片通常需要采購IP，而目前關于IP的重用方法中，IP的測試和驗證已經很成熟，可以保證IP接入系統沒有問題。采用Chiplet模式的SiPs芯片則不同，它采購或使用的是制造好的die，即模塊芯片。這對單個die的良率要求非常高，因為在SiPs中一個die的功能影響了整體性能，一旦出了問題損失巨大。同時在die設計中還需要植入滿足SiPs芯片的測試協議。而對于SiPs芯片，由于管腳有限，如何單獨測試每個die的性能和整體SiP的性能也是一個難點。

　　Chiplet尚是個新生事物,目前至少能供選擇的芯片組并不很多,另外它還面臨如下一些挑戰：

　　④開發工具?；ヂ摗⒎庋b和測試需要軟件工具的支持，對于EDA工具帶來巨大的需求。例如在芯片設計中，30%-40%的成本是工具軟件。DARPA的 CHIPS項目中一個工作重點就是設計工具。Chiplet技術需要EDA工具從架構探索，到芯片實現，甚至到物理設計提供全面支持。

　　⑤芯片網絡的交通死鎖與流量堵塞。盡管每個chiplet的芯片上routing system都可以很好地工作，但是當它們全部連接在內插器的網絡上時，就出現了交通死鎖與流量堵塞問題。

　　目前還有一點還不是很清楚：一旦Chiplet被制造出來交給集成商和封裝廠以后, 誰將來負責這些芯片組。

　　中外各大企業的Chiplet發展現狀

　　目前，Chiplet模式還處于發展早期，主要圍繞DARPA的CHIPS項目發展。在CHIPS項目中，有制造封測企業如Intel、Northrop、Micorss等，還有模塊芯片開發企業（如Ferric、Jariet、美光、Synopsys）和和高校（如密西根大學），以及EDA工具開發企業（如Candence）和高校（如佐治亞理工)。

　　Intel針對互聯標準的挑戰，首先提出了高級接口總線（Advanced Interface Bus，AIB）標準。在DARPA的CHIPS項目中，英特爾將AIB標準開放給項目中的企業使用。AIB是一種時鐘轉發并行數據傳輸機制，類似于DDR DRAM接口。目前，英特爾免費提供AIB接口許可，以支持廣泛的Chiplet生態系統，包括設計方法或服務供應商、代工廠、封裝廠和系統供應商。此舉將加速AIB標準的快速普及，有望在未來成為類似ARM的AMBA總線的業界標準。

　　使用AIB標準的SiP芯片

　　Intel在2017年公布EMIB（Embeded Multi-Die Interconnect Bridge：嵌入式多硅片互聯）技術的基礎上，在2018年底的架構日上，更是進一步將其升級為邏輯晶圓3D堆疊技術，命名為Foveros。使用Foveros技術，在二維平面上可以通過EMIB實現Die-to-Die之間的互聯，在三維垂直方向上還可以使用TSV（Through Silicon Via）實現Die之間的堆疊。每個Die所使用的工藝制程可以不一樣，通過高級封裝技術進行封裝，充分利用2D和3D的空間。

　　EMIB技術已經在Intel的Stratix 10 FPGA芯片上使用了，在未來Intel的CPU/FPGA/GPU/AI等芯片上，我們可以期待Foveros技術的進一步落地。Foveros結合EMIB可以滿足各種不同應用、功率范圍和外形尺寸的需求，提供低成本、高性能芯片選擇。英特爾預計將于2019年下半年推出一系列采用Foveros技術的產品。首款Foveros產品將整合高性能10nm模塊芯片和低功耗的22nm基礎晶片。

　　而Intel的死對頭AMD自然也不甘示弱，在當下，AMD其實已經為我們帶來了使用Chiplets技術的EYPC Zen架構CPU芯片，包括在2018年發布的服務器端Naples CPU芯片和剛剛結束的Computex 2019上發布的7nm Ryzen桌面級CPU。

　　在AMD EPYC CPU芯片的基板上，8個CPU Chiplets圍繞著1個中心I/O Chiplet。I/O Chiplet使用14nm工藝，而CPU Chiplets則使用7nm工藝。

　　AMD EPYC CPU芯片采用Chiplet技術實現

　　AMD研究人員最近提出了一種方案，獨立chiplet的可以經過設計，芯片網絡需要遵守簡單的規則，就能基本消除死鎖難題。這些規則規定了數據進入和離開芯片的問題，限制了移動的方向。如果能夠徹底解決這個問題，那么Chiplet將為未來計算機設計的發展帶來新的動力。

　　除了AMD和Intel之外，其它IC廠家也都在自家產品上開始逐步使用Chiplet技術。如Xilinx和Marvell.

　　在今年六月初于日本京都舉辦的VLSI Symposium（超大規模集成電路研討會）期間，臺積電展示了自己設計的一顆小芯片（chiplet）“This”。

　　基本參數上，This采用7nm工藝，4.4x6.2mm（27.28 mm2），CoWos（晶圓級封裝），雙芯片結構，其一內置4個Cortex A72核心，另一內置6MiB三緩。

　　This的標稱最高主頻為4GHz，實測最高居然達到了4.2GHz（1.375V）。同時，臺積電還開發了稱之為LIPINCON互連技術，信號數據速率8 GT/s。

　　另外，不得不提一家中資企業極戈科技的發展。他們采用Chiplet模式極大地縮短了物聯網芯片的研發周期。

　　極戈科技（zGlue）2014年成立于美國硅谷，2017年進入中國。創始人張銘畢業于北京大學，在UIUC獲得碩士與博士學位。曾在英特爾和三星工作。

　　極戈科技主打快速芯片設計和制造，通過獨特的電路設計+封裝+ SDK+算法，能夠將物聯網芯片的設計制造流程從超過1年壓縮到2-4周。他們利用SaaS的模式提供芯片設計方案，也采用2.5D/3D封裝技術?；A芯片是極戈開發的硅基芯片，上層是第三方的模塊芯片，包括傳感器、通訊、存儲等，從而低成本、高速度地實現小體積，低功耗的系統集成。

　　來自極戈的ZiP芯片（來源：極戈科技）

　　中國本土企業也開始涉及Chiplet技術，Chiplet理念與實踐做法，與國內的武漢弘芯想做的系統芯片制造正好相契合。自7月初上任的弘芯CEO蔣尚義指出，美國DARPA推動的電子產業振興計劃（ERI）推動小芯片，開始啟動主導標準，也建議國內建立本土一套自己的標準，促進中國實現自己的標準，武漢弘芯愿扮推手，推動Chiplet制定國內標準。

　　近日在一場由芯聯芯主辦的圓桌討論會議上，來自IP、設計服務與IC制造業大咖同臺探討了Chiplet對行業產生的變革與影響。芯聯芯首席運營官(COO)石克強則也認為，摩爾定律已走到盡頭之際，Chiplet發展或許連摩爾仍在世，也是他意料不到的，這另一途徑可說更好、更快、更便宜的讓芯片不再受制于線寬與傳輸速度。

　　從設計服務的環節來講，如何建立起當中的生態環境與伙伴關系，擴大Die Bank并且建立標準這也都是至關重要的事。

　　芯聯芯目前擁有MIPS架構全球銷售權、中國與港澳地區獨家經營權，從IP的觀點切入，何薇玲表示，成熟CPU架構正是Chiplet的核心，能讓系統運作得更穩當規律、更省能耗，IP成熟度與來源正當性往往是影響產品能否順利上市，能不能最終打下市場的關鍵。