后摩尔时代最优解?Chiplet如何影响国内芯片产业链

第一财经2022-08-09 22:55:54

作者:冯丽君    责编:钱焜

处于风口中的Chiplet技术,被业内视为可能是摩尔定律放缓后的最优解。

AMD、台积电、英特尔、英伟达等芯片巨头厂商近年来已纷纷入局。Omdia预计,在制造过程中使用Chiplet的新器件全球市场规模将在2024年扩大到58亿美元,比2018年的6.45亿美元增长9倍;到2035年,其市场规模将达570亿美元。

多家研究机构认为,后摩尔时代,Chiplet将给中国集成电路产业带来巨大发展机遇。清华大学教授、中国半导体行业协会副理事长魏少军认为,Chiplet的出现可能会使中国企业在价值链的位置上进一步向下游偏移,“但中国企业可在Chiplet上有所作为,比如可以借助Chiplet更快地发展应用,促使中国企业向标准芯粒方向转型。”

成本低是Chiplet核心优势

Chiplet又称芯粒或小芯片,是将一类满足特定功能的die(裸片)通过die-to-die内部互联技术实现多个模块芯片与底层基础芯片封装在一起,形成一个系统芯片,以实现一种新形式的IP复用。

目前,主流系统级单芯片(SoC)是将多个负责不同类型计算任务的计算单元,通过光刻的形式制作到同一块晶圆上。如手机SoC芯片基本都集成了CPU、GPU、DSP、ISP、NPU、Modem等不同功能的计算单元和诸多的接口IP,追求高度集成化,依赖先进制程。

相比SoC,Chiplet最核心的优势在于成本,包括制造成本与设计成本。

首先,在巨大算力需求下,芯片晶体管数量暴增,芯片面积也不断扩大。Chiplet设计把大芯片分成面积更小的芯片,从而有效改善良率,减少不良率导致的成本增加。某券商电子行业研究员对第一财经表示,“多芯片集成在越先进的工艺下(如5nm),越具有显著的优势,因为在800mm2面积的单片系统中,硅片缺陷导致的额外成本占总制造成本的50%以上。”

其次,SoC芯片的逻辑计算单元依赖先进制程来提高性能,其他部分通常可使用成本更低的成熟制程,SoC芯片Chiplet化之后,不同芯粒可以根据需要来选择合适的工艺制程分开制造,再通过先进封装技术进行组装,从而有效降低制造成本。

此外,随着半导体工艺进步,芯片设计难度和复杂度也在增加,设计成本高企。芯片设计成本构成一般包括EDA软件、IP采购、芯片验证与流片、相关硬件和人力成本等。根据IBS统计数据,22nm制程之后每代技术设计成本增加均超过50%,设计一颗28nmSoC芯片成本约为5000万美元,而7nm则需要3亿美元,3nm的设计成本可能达到15亿美元。

将SoC拆分成几个关键的Chiplet,每颗Chiplet能够在更多的应用中平衡研发成本,避免一颗大SoC芯片设计出来后没有足够出货量带来的巨大损失,从而缩短研发周期、研发人员投入等。

上述研究员表示,“对于设计公司来说可以用成本更低、设计速度更快的方式完成芯片的迭代,比如AMD的Ryzen系列芯片就是通过多核的方式来实现对intel产品主频和成本上的超越,近几年市占率逐步提升。”

不过,业内也有不同观点。魏少军认为,要同时研发多个芯片,研发费用要翻倍,而且在量产时,每颗芯片的成品率乘起来,就会导致最终Chiplet产品的成品率大幅下降。假设Chiplet包含5颗芯片(芯粒),每颗芯粒的成品率都是90%,则5颗芯粒集成后产品的成品率就会下降到60%。

魏少军在接受媒体采访时表示,Chiplet最大的应用场合是“需要”采用异质集成的场合,例如将计算逻辑与DRAM(动态随机存储)集成,以克服存储墙;其次是体积严重受限的应用,例如在手机中,通过Chiplet将多颗芯粒集成到一个腔体内,以节省体积;再次是使用环境恶劣的场合,例如汽车、工业控制、物联网等场合。

第一财经从业内了解到,对于国内某大厂来说,Chiplet工艺可以让他们在服务器主芯片上完成突破,用14nm级的CPU核通过数量堆叠、牺牲体积/散热/功耗来完成性能上的提升,也可以通过合作公司拿先进制程的CPU,再在国内做配套芯粒完成封装;不过手机上目前还不会直接应用,体积相对较大,功耗也非常高,Chiplet要应用到手机需要3D封装。

Chiplet对产业链影响几何

目前可应用于Chiplet的封装解决方案主要是SIP、2.5D和3D封装。其中,2.5D封装技术发展已经非常成熟,并且已广泛应用于FPGA、CPU、GPU等芯片当中。3D封装技术难度更高,目前由英特尔和台积电掌握并商用。“3D封装即TSV技术,2.5D更接近两层小洋房,3D则是大厦的形态,空间利用效率更高。”上述研究员称。

“对于产业链而言,目前2.5D的Chiplet实现方式主要利好封装企业,如过去给AMD封装的通富微电(002156.SZ),价值量相比传统封装翻倍,毛利率也更高。”上述研究员对第一财经表示,“其次是载板企业,如兴森科技(002436.SZ),目前Chiplet的2.5D工艺成品芯片面积较大、片上通信要求较高,对于载板的层数、面积需求增加,兴森的ABF载板产线后续能得到比较大的订单支持;然后是封测设备公司,如华峰测控(688200.SH)等。”

通富微电是AMD的重要封测代工厂,在Chiplet、WLP、SiP、Fanout、2.5D、3D堆叠等方面均有布局和储备,现已具备Chiplet先进封装技术大规模生产能力。

此外,长电科技(600584.SH)今年6月加入UCIe(芯粒互连,Universal Chiplet Interconnect Express)产业联盟,参与推动Chiplet接口规范标准化。根据投资者问答,其去年推出了XDFOI™全系列极高密度扇出型封装解决方案,该技术是一种面向Chiplet的极高密度、多扇出型封装高密度异构集成解决方案,包括2D/2.5D/3DChiplet,能够为客户提供从常规密度到极高密度,从极小尺寸到极大尺寸的一站式服务。

上述研究员称,IP企业相对来说目前还没有完全进入到他们发挥的环节,当前做Chiplet的企业大多自研为主,不过未来行业还是会持续专业化分工,如芯原股份(688521.SH),未来Chiplet将会是他们发展的重要动力。

芯原股份近日对第一财经表示,芯原股份近年来一直致力于Chiplet技术和产业的推进,通过“IP芯片化,IP as a Chiplet”、“芯片平台化,Chiplet as a Platform”和“平台生态化,Platform as an Ecosystem”,促进Chiplet的产业化,进一步推动公司主营业务发展。

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