打破中国半导体“依赖症”,从Chiplet做起
[Summary]Chiplet:超级算力时代的解药之一
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- 作者:恩纳基智能科技
- 来源:原创
- 发布时间:2023-04-18
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近期,中国成立了自己的Chiplet(小芯片,或芯粒)联盟,由多家芯片设计,IP,以及封装、测试和组装服务公司组成,同时推出了相应的互连接口标准ACC 1.0。
在美国打压,中国寻求半导体产业链关键环节自主可控的当下,这一联盟的成立,颇有与由AMD、Arm、英特尔、台积电和ASE(日月光)主导的UCIe联盟分庭抗礼的意味。从技术层面来看,Chiplet的价值和发展前景已经在全球半导体界达成普遍共识。
Chiplet并不是创新概念,它很早就被提出来了,只是市场应用需求没有发展到这一步,因此长期处于“隐身”状态。之所以在近几年火热起来,主要原因是先进制程(5nm及以下)的成本高的惊人,绝大多数芯片企业难以负担。Chiplet则可以在很大程度上解决这一问题。
Chiplet可以把传统的单芯片设计方案改成多芯片(Die)进行设计,并利用先进封装工艺进行集成。它的优势主要有以下几点:
通过2.5D/3D堆叠的方式,实现单位面积上晶体管数量的增加,从而提高算力;同时通过异构互联,还可以进一步满足芯片的复杂度需求,提升集成度。
2. 降低芯片的设计复杂度
类模块化的设计可以降低芯片的整体设计复杂性,从而加速其产品上市的周期;而对于一些系统级厂商而言,可以降低其自研芯片的准入门槛。此外,由于采用了集成异质化和介质层重新连线,芯片I/O增量化变得更为容易。
芯片越大,线从一端跑到另一端,功耗上也是个大问题,而Chiplet可以一定程度上解决该问题。
对于中国来说,Chiplet除了拥有前面提到的优势以外,还被赋予了另一层任务——辅助中国半导体在逆全球化的现实中实现更多的芯片设计、制造国产化。虽然有这么多好处,但Chiplet技术并不成熟,各种Die、接口I/O、总线等,与常规的SoC有很大区别,需要制定统一的标准,从而使产业链上的设计、制造、封装等厂商能按照标准操作,才能实现高效、规模化生产。因此,UCIe和ACC 1.0等行业规范相继推出。
1. 应用场景
2. 成本
只有传统SoC成本达到一定量级,改用Chiplet设计才划算。
当一个采用Chiplet架构的芯片完成封装,由于内部有多个Die,有的芯片内部功能块繁多且复杂,处理器、内存和I/O控制等组合在一起,可能有100多个Die,假设一种Die的良率超过90%,那么它们组合在一起,整个芯片的良率肯定不到90%,且组成的Die越多,整体良率越低。
在多数情况下,很难判断Die是否可以在封装完成之前正常工作,当不同的Die并排放置时,芯片顶部的I/O焊盘很小,而且极难直接测试。为了与探头良好接触,需要施加相当大的压力,这可能会损坏触点和芯片内部结构。尽管晶圆代工厂会测试晶圆,但这种测试难以做到详尽无遗,实际上只是为了筛选出明显的缺陷。目前,面对这一测试问题,业界知名封测大厂,以及顶尖科研机构都提出过解决方案,但都属于摸索阶段,并未成熟。
03、Chiplet是中国半导体的“救命稻草”吗?
不止在国际,近几年,Chiplet在中国大陆也非常火爆,特别是美国开始打压中国半导体业以来,可以减少先进制程用量,同时又能享受到先进制程好处的Chiplet备受期待。
首先要肯定的是,中国发展Chiplet是没错的,无论是技术本身,还是应用需求,它都代表着未来的发展方向。不过,对Chiplet寄予过高期待,指望它解决关键问题,就有些跑偏了。对于中国发展Chiplet,清华大学教授、中国半导体行业协会副理事长魏少军表示,不管Chiplet怎么发展,它还是要先有Chip(芯片),所以其目标还是在成本可控情况下的异质集成,只能是先进工艺的补充。
魏少军认为,中国集成电路产业总体上还处在追赶过程中,Chiplet的出现并不能使这一态势发生根本性改变。如果说我们今天的芯片设计主要依赖国外的IP和EDA工具,那么在Chiplet时代,我们用到的芯粒和EDA工具大概率还是依赖国外厂商。不过,魏少军也指出,中国企业亦可在Chiplet上有所作为,比如中国企业可以借助Chiplet更快地发展应用。
Chiplet的出现给芯片行业开辟了一片新天地,后续很可能会出现一种新的商业模式,即通过集成标准芯粒来构建专用芯片的企业,这也是一些国际大厂打造Chiplet标准的原因。通过标准的设立,可以把自己生产的芯片变成Chiplet企业使用的“标准产品”,被不断地集成到各种最终应用中,从而扩大自己的市场。
在芯片工艺被国外“卡脖子”的情况下,很多人都认为Chiplet是我国在芯片领域弯道超车的一个机会。但不要忘了,在实际驾驶的过程中,弯道超车是要尽力避免的操作,在直线上加速超车才是正确的行为。
芯片产业的积累也不是短时间可以完成的,也不是靠抄近道、投机取巧可以实现的。而国内厂商要走“全自研”路线,仍需打磨很长时间。
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