文|半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)縱橫
在和業(yè)內(nèi)人士交流時(shí)，有人曾表示：“要么業(yè)界采用Chiplet技術(shù)，維持摩爾定律的影響繼續(xù)前進(jìn)，要么就面臨商業(yè)市場(chǎng)的損失?！彪S著摩爾定律走到極限，Chiplet被行業(yè)普遍認(rèn)為是未來5年算力的主要提升技術(shù)。
01、戰(zhàn)場(chǎng)已拉開，紛爭(zhēng)開始了
Chiplet不算是新的技術(shù)，但是這股浪潮確實(shí)是近年來開始火熱的。
什么是Chiplet？
Chiplet俗稱芯粒，也叫小芯片，它是將一類滿足特定功能的die（裸片），通過die-to-die內(nèi)部互聯(lián)技術(shù)實(shí)現(xiàn)多個(gè)模塊芯片與底層基礎(chǔ)芯片封裝在一起，形成一個(gè)系統(tǒng)芯片，以實(shí)現(xiàn)一種新形式的IP復(fù)用。
簡(jiǎn)單來說，可以理解為將每個(gè)小的芯片用“膠水”縫合在一起，形成一個(gè)性能更強(qiáng)的大芯片。這也不算是一個(gè)新鮮的技術(shù)，例如：英特爾將兩個(gè)芯片（一個(gè) CPU 和一個(gè)用于 CPU 大型 L2 高速緩存的快速靜態(tài)內(nèi)存芯片）放在一起，放入公司于1995年末推出的Pentium Pro CPU 的封裝中。
也許去年，大部分廠商還沉浸在Chiplet技術(shù)的未來應(yīng)用上，那到了今天Chiplet已經(jīng)成為各大廠商的產(chǎn)品中的必選角色。
首先來看AMD，AMD是選擇Chiplet最積極的廠商之一。
在2019年的時(shí)候，AMD就初次嘗試了Chiplet封裝，將不同工藝節(jié)點(diǎn)的CPU內(nèi)核且I/O規(guī)格不同的芯片封裝在一起，顯著提高了能效和功能。
之后，AMD又發(fā)布了實(shí)驗(yàn)性產(chǎn)品，即基于3D Chiplet技術(shù)的3D V-Cache。使用的處理器芯片是Ryzen 5000，采用臺(tái)積電3D Fabric先進(jìn)封裝技術(shù)，成功地將包含有64MB L3 Cache的Chiplet以3D堆疊的形式與處理器封裝在了一起。
從數(shù)據(jù)性能來看，采用3D Chiplet的原型芯片將性能平均提高了12%。從這一點(diǎn)上，也能看到3D Chiplet對(duì)實(shí)際工作負(fù)載的提升有實(shí)質(zhì)性的貢獻(xiàn)。
不止在CPU，AMD在GPU方面也選擇了Chiplet技術(shù)。目前，AMD發(fā)布的最新MI300系列芯片時(shí)，同樣采用Chiplet技術(shù)，8個(gè)GPU Chiplet加4個(gè)I/O內(nèi)存Chiplet的設(shè)計(jì)，總共12個(gè)5nm Chiplet封裝在一起，使其集成的晶體管數(shù)量達(dá)到了1530億，高于英偉達(dá)H100的800億晶體管。這款芯片在推出時(shí)，也是打出了對(duì)標(biāo)英偉達(dá)H100的口號(hào)。
此外，AMD含Chiplet技術(shù)的CPU銷量占比也在不斷提高。根據(jù)德國(guó)電腦零售商Mindfactory數(shù)據(jù)，2021年10月至2022年12月間AMD CPU的銷量中，含Chiplet技術(shù)的CPU銷量占比不斷提高，從約80%上升至約97%。
再來看英特爾。英特爾的首次推出基于Chiplet設(shè)計(jì)的處理器是Sapphire Rapids，時(shí)間在2023年1月。
具體來看，通過兩組鏡像對(duì)稱的相同架構(gòu)的building blocks，組合4個(gè)Chiplets，獲得4倍的性能和互聯(lián)帶寬。每個(gè)基本模塊包含計(jì)算部分（CHA &LLC &Cores mesh， Accelerators）、memory interface部分（controller， Ch0/1）、I/O部分（UPI，PCIe）。通過將上述高性能組件組成基本的building block，再通過EMIB技術(shù)進(jìn)行Chiplet互聯(lián)，可以獲得線性性能提升和成本收益。
最后，來看英偉達(dá)。英偉達(dá)坐穩(wěn)GPU領(lǐng)域霸主這一點(diǎn)毋庸置疑，而霸主英偉達(dá)在今年推出的“最強(qiáng)”GPU B200也同樣采用Chiplet技術(shù)。GB200超級(jí)芯片是由2顆B200 GPU和1顆Arm架構(gòu)的Grace CPU（中央處理器）組合而來。
由此可見，英特爾、AMD、英偉達(dá)都在自家的CPU、GPU上使用了Chiplet技術(shù)。這將Chiplet推入了一個(gè)全新的商業(yè)化階段。
Chiplet這一錘，算是重重砸下了。
02、Chiplet從CPU到GPU
在之前傳統(tǒng)的GPU也是由一個(gè)中央工作負(fù)載處理器，將渲染任務(wù)發(fā)送到芯片內(nèi)的多個(gè)著色器塊之一。每個(gè)單元都被賦予一塊幾何體來處理、轉(zhuǎn)換為像素，然后對(duì)它們進(jìn)行著色。
后來AMD發(fā)現(xiàn)，Chiplet 用在CPU上效果很好，并且降低了制造成本。于是在GPU上也選擇了放棄中央處理器，用多個(gè)小芯片取代單個(gè)硅塊，每個(gè)小芯片處理自己的任務(wù)。渲染指令以稱為命令列表的長(zhǎng)序列發(fā)送到 GPU，其中所有內(nèi)容都稱為繪制調(diào)用。
AMD 2019年Chiplet專利
該文件于 2019 年 6 月發(fā)布，即提交近兩年后，該功能已在 RDNA 2 中實(shí)現(xiàn)。AMD 于 2020 年開始推廣該架構(gòu)，并于同年 11 月推出了首款配備全新 RT-texture 處理器的產(chǎn)品。
不同制程及封裝技術(shù)下的芯片良率、成本、面積的關(guān)系 注：D為缺陷密度，c為負(fù)二項(xiàng)分布中的集群參數(shù)或Seed’s model中臨界值數(shù)量
摩爾定律沒死，但確實(shí)是老了，在14nm之后成本曲線就變了。5nm工藝的成本相比7nm工藝增長(zhǎng)了近1倍，3nm工藝相比5nm工藝預(yù)計(jì)將增長(zhǎng)近1倍。在半導(dǎo)體工藝、規(guī)模限制越來越大的情況下，傳統(tǒng)大芯片的策略確實(shí)是寸步難行。
總體來看，Chiplet有四大優(yōu)點(diǎn)：
第一，通過將功能塊劃分為小芯片，那么不需要芯片尺寸的持續(xù)增加。這就提高了良率并簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)和驗(yàn)證的流程。
第二，每個(gè)小芯片是獨(dú)立的，那就可以選擇最佳工藝。邏輯部分可以采用尖端工藝制造，大容量SRAM可以使用7nm左右的工藝制造，I/O和外圍電路可以使用12nm或28nm左右的工藝制造，這就大大降低了制造的成本。
第三，組合多樣，適合定制化，輕松制造衍生類型。比如說采用相同的邏輯電路但是不一樣的外圍電路，或相同外圍電路但不同的邏輯電路。
第四，不同制造商的小芯片可以混合使用，而不僅僅是局限在單個(gè)制造商內(nèi)。
這些特點(diǎn)都非常適合用在大算力芯片上。相較于傳統(tǒng)消費(fèi)級(jí)芯片，算力芯片面積更大，存儲(chǔ)容量更大，對(duì)互連速度要求更高。采用Chiplet既可以降低成本提升良率，又可以允許更多計(jì)算核心的“堆料”，還能便于引入HBM存儲(chǔ)。
越接近摩爾定律極限如5nm、3nm和2nm的芯片走Chiplet設(shè)計(jì)路線越有意義。
清華大學(xué)交叉信息研究院特聘研究員、助理教授馬愷聲也分析過，到底什么樣的芯片適合使用Chiplet：“具體到芯片應(yīng)用來說，CPU和GPU這種大芯片是適合的，對(duì)于大芯片來說，建議是超過200平方毫米，最好是超過400平方毫米的是適合做Chiplet的；如果僅從成本角度看，如MCU這樣本身價(jià)格較低的芯片目前是沒有必要的?！?/p>
我們也能看到，Chiplet技術(shù)在CPU和GPU上的商用確實(shí)比較順利。
03、Chiplet時(shí)代，代工廠偷偷賺大錢
Chiplet制造步驟相對(duì)于封裝復(fù)雜度大幅提升，同時(shí)考慮到不同的連接方式對(duì)于精度的要求和工藝要求不同，制造過程分布在IDM、晶圓廠和封裝廠。
這給臺(tái)積電、英特爾帶來了商機(jī)。
3nm制程技術(shù)占據(jù)了臺(tái)積電晶圓總收入的6%，5nm和7nm分別占晶圓總收入33%和19%。先進(jìn)制程（7nm及以下）占臺(tái)積電晶圓總收入的比重達(dá)到了58%。
前文提到的AMD發(fā)布的3D V-Cache實(shí)驗(yàn)性產(chǎn)品背后，是臺(tái)積電的先進(jìn)半導(dǎo)體工藝技術(shù)和先進(jìn)封裝技術(shù)。臺(tái)積電作為同時(shí)掌握了最先進(jìn)半導(dǎo)體工藝和封裝技術(shù)的代工廠，其全球最頂尖代工廠的地位得到了鞏固，同時(shí)其在先進(jìn)技術(shù)領(lǐng)域也將變得更加強(qiáng)勢(shì)。
那么臺(tái)積電的7m、5nm可以得到更好地利用。如果仔細(xì)來看臺(tái)積電的營(yíng)收，在先進(jìn)制程方面的收入使得其業(yè)績(jī)一路高升。
不過，對(duì)于臺(tái)積電來說，Chiplet也帶來了新的挑戰(zhàn)。通過采用Chiplet，臺(tái)積電避免了傳統(tǒng)的壟斷模式，使客戶理論上能夠從多個(gè)來源獲得其芯片。這增加了客戶的選擇自由度，促使了更加競(jìng)爭(zhēng)激烈的市場(chǎng)環(huán)境。
不同于AMD和英偉達(dá)，英特爾一直在發(fā)展其IDM 2.0的戰(zhàn)略，將晶圓代工看得非常重要。
從代工這方面來看，Chiplet對(duì)于英特爾也有不一樣的影響。
一方面，英特爾承諾過的4年交付5個(gè)工藝節(jié)點(diǎn)（intel 7、intel 4、intel 3、intel 20A、intel 18A），如果使用Chiplet，那么英特爾可以避免為復(fù)雜的CPU或GPU執(zhí)行完整工藝所需的困難。
另一方面，英特爾還可以利用混合制造廠商（使用來自多個(gè)代工廠的Chiplet并將其打包）的概念來獲得代工廠商機(jī)。在去年，英特爾宣布與臺(tái)積電攜手打造全球首款符合Chiplet互連產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（UCIe）標(biāo)準(zhǔn)的多芯片封裝芯片，當(dāng)中包含英特爾與臺(tái)積電各自生產(chǎn)的IC。
值得注意的是，英特爾是第一個(gè)主動(dòng)選擇，多源代工業(yè)務(wù)模式的廠商。
04、結(jié)語
Chiplet的探索正在圍繞著CPU和GPU這兩大領(lǐng)域，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，隨著Chiplet產(chǎn)業(yè)鏈更加成熟，Chiplet的發(fā)展將不局限于這類大芯片，而是會(huì)有更廣闊的運(yùn)用空間。
Chiplet的風(fēng)行，也讓半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)必須有所調(diào)整，以建構(gòu)出對(duì)應(yīng)的完善生態(tài)系統(tǒng)。目前市場(chǎng)上的Chiplet產(chǎn)品，是各家大廠自行發(fā)展出來的成果，故目前半導(dǎo)體業(yè)內(nèi)存在多種不相通的Chiplet互連技術(shù)，導(dǎo)致Chiplet生態(tài)系呈現(xiàn)碎片化的局面。
目前在底層封裝層面， 已經(jīng)有臺(tái)積電、英特爾等廠商提供CoWOS、EMIB等先進(jìn)封裝，可以提供超高速、超高密度和超低延時(shí)的Chiplet互聯(lián)；在標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議層面，也有眾多大廠領(lǐng)銜發(fā)布的UCIe 1.0版本，提供了跨片接口設(shè)計(jì)的指導(dǎo)和約束。
Chiplet的春風(fēng)在吹了。