後摩爾時代最優解?Chiplet如何影響國內晶片產業鏈

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處於風口中的Chiplet技術,被業內視為可能是摩爾定律放緩後的最優解。

AMD、臺積電、英特爾、英偉達等晶片巨頭廠商近年來已紛紛入局。Omdia預計,在製造過程中使用Chiplet的新器件全球市場規模將在2024年擴大到58億美元,比2018年的6.45億美元增長9倍;到2035年,其市場規模將達570億美元。

多家研究機構認為,後摩爾時代,Chiplet將給中國積體電路產業帶來巨大發展機遇。清華大學教授、中國半導體行業協會副理事長魏少軍認為,Chiplet的出現可能會使中國企業在價值鏈的位置上進一步向下游偏移,“但中國企業可在Chiplet上有所作為,比如可以藉助Chiplet更快地發展應用,促使中國企業向標準芯粒方向轉型。”

成本低是Chiplet 核心優勢

Chiplet又稱芯粒或小晶片,是將一類滿足特定功能的die(裸片)通過die-to-die內部互聯技術實現多個模組晶片與底層基礎晶片封裝在一起,形成一個系統晶片,以實現一種新形式的IP複用。

目前,主流系統級單晶片(SoC)是將多個負責不同型別計算任務的計算單元,通過光刻的形式製作到同一塊晶圓上。如手機SoC晶片基本都集成了CPU、GPU、DSP、ISP、NPU、Modem等不同功能的計算單元和諸多的介面IP,追求高度整合化,依賴先進製程。

相比SoC,Chiplet最核心的優勢在於成本,包括製造成本與設計成本。

首先,在巨大算力需求下,晶片電晶體數量暴增,芯片面積也不斷擴大。Chiplet設計把大晶片分成面積更小的晶片,從而有效改善良率,減少不良率導致的成本增加。某券商電子行業研究員對第一財經表示,“多晶片整合在越先進的工藝下(如5nm),越具有顯著的優勢,因為在800mm2面積的單片系統中,矽片缺陷導致的額外成本佔總製造成本的50%以上。”

其次,SoC晶片的邏輯計算單元依賴先進製程來提高效能,其他部分通常可使用成本更低的成熟製程,SoC晶片Chiplet化之後,不同芯粒可以根據需要來選擇合適的工藝製程分開製造,再通過先進封裝技術進行組裝,從而有效降低製造成本。

此外,隨著半導體工藝進步,晶片設計難度和複雜度也在增加,設計成本高企。晶片設計成本構成一般包括EDA軟體、IP採購、晶片驗證與流片、相關硬體和人力成本等。根據IBS統計資料,22nm製程之後每代技術設計成本增加均超過50%,設計一顆28nmSoC晶片成本約為5000萬美元,而7nm則需要3億美元,3nm的設計成本可能達到15億美元。

將SoC拆分成幾個關鍵的Chiplet,每顆Chiplet能夠在更多的應用中平衡研發成本,避免一顆大SoC晶片設計出來後沒有足夠出貨量帶來的巨大損失,從而縮短研發週期、研發人員投入等。

上述研究員表示,“對於設計公司來說可以用成本更低、設計速度更快的方式完成晶片的迭代,比如AMD的Ryzen系列晶片就是通過多核的方式來實現對intel產品主頻和成本上的超越,近幾年市佔率逐步提升。”

不過,業內也有不同觀點。魏少軍認為,要同時研發多個晶片,研發費用要翻倍,而且在量產時,每顆晶片的成品率乘起來,就會導致最終Chiplet產品的成品率大幅下降。假設Chiplet包含5顆晶片(芯粒),每顆芯粒的成品率都是90%,則5顆芯粒整合後產品的成品率就會下降到60%。

魏少軍在接受媒體採訪時表示,Chiplet最大的應用場合是“需要”採用異質整合的場合,例如將計算邏輯與DRAM(動態隨機儲存)整合,以克服儲存牆;其次是體積嚴重受限的應用,例如在手機中,通過Chiplet將多顆芯粒整合到一個腔體內,以節省體積;再次是使用環境惡劣的場合,例如汽車、工業控制、物聯網等場合。

第一財經從業內瞭解到,對於國內某大廠來說,Chiplet工藝可以讓他們在伺服器主晶片上完成突破,用14nm級的CPU核通過數量堆疊、犧牲體積/散熱/功耗來完成效能上的提升,也可以通過合作公司拿先進製程的CPU,再在國內做配套芯粒完成封裝;不過手機上目前還不會直接應用,體積相對較大,功耗也非常高,Chiplet要應用到手機需要3D封裝。

Chiplet 對產業鏈影響幾何

目前可應用於Chiplet的封裝解決方案主要是SIP、2.5D和3D封裝。其中,2.5D封裝技術發展已經非常成熟,並且已廣泛應用於FPGA、CPU、GPU等晶片當中。3D封裝技術難度更高,目前由英特爾和臺積電掌握並商用。“3D封裝即TSV技術,2.5D更接近兩層小洋房,3D則是大廈的形態,空間利用效率更高。”上述研究員稱。

“對於產業鏈而言,目前2.5D的Chiplet實現方式主要利好封裝企業,如過去給AMD封裝的通富微電(002156.SZ),價值量相比傳統封裝翻倍,毛利率也更高。”上述研究員對第一財經表示,“其次是載板企業,如興森科技(002436.SZ),目前Chiplet的2.5D工藝成品芯片面積較大、片上通訊要求較高,對於載板的層數、面積需求增加,興森的ABF載板產線後續能得到比較大的訂單支援;然後是封測裝置公司,如華峰測控(688200.SH)等。”

通富微電是AMD的重要封測代工廠,在Chiplet、WLP、SiP、Fanout、2.5D、3D堆疊等方面均有佈局和儲備,現已具備Chiplet先進封裝技術大規模生產能力。

此外,長電科技(600584.SH)今年6月加入UCIe(芯粒互連,Universal Chiplet Interconnect Express)產業聯盟,參與推動Chiplet介面規範標準化。根據投資者問答,其去年推出了XDFOI全系列極高密度扇出型封裝解決方案,該技術是一種面向Chiplet的極高密度、多扇出型封裝高密度異構整合解決方案,包括2D/2.5D/3DChiplet,能夠為客戶提供從常規密度到極高密度,從極小尺寸到極大尺寸的一站式服務。

上述研究員稱,IP企業相對來說目前還沒有完全進入到他們發揮的環節,當前做Chiplet的企業大多自研為主,不過未來行業還是會持續專業化分工,如芯原股份(688521.SH),未來Chiplet將會是他們發展的重要動力。

芯原股份近日對第一財經表示,芯原股份近年來一直致力於Chiplet技術和產業的推進,通過“IP晶片化,IP as a Chiplet”、“晶片平臺化,Chiplet as a Platform”和“平臺生態化,Platform as an Ecosystem”,促進Chiplet的產業化,進一步推動公司主營業務發展。

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