Chiplet是什么?Chiplet、 SoC、SiP的区别在哪?

当一项颠覆性技术问世的时候,谁能抢占先机占领制高点,谁就拥有了霸权力量。
就在chatgpt推动人工智能技术即将来到奇点的时候,美国出手将浪潮、   龙芯列入实体清单。这明显是在压制中国人工智能产业。
那本土企业如何破局,
chiplet概念成了市场关注的焦点。
chiplet到底有没有这般魔力?今天咱们就来聊聊这个话题。
chiplet是什么
chiplet是一种全新的芯片设计理念为了便于理解,咱们先来看看目前的芯片是怎么设计出来的。
大家会经常听到soc这样一个芯片代名词。它是把很多的功能模块,比如cpu、存储器、接口这些通通集成在一个芯片上,做成一个大芯片。
而chiplet呢,与soc反其道而行之,字面上翻译叫做“芯粒”,可以理解为小芯片的意思。
在chiplet设计理念下,是将原本soc中的每个功能模块都单独拆出来,做成具有单独功能的一个个小芯片单元。
之后,通过先进封装技术,像搭积木一样,把这些小芯片再集成为一个系统级芯片。
chiplet、 soc、sip区别
soc(system on chip)叫做片上系统。是围绕cpu,将各种功能模块都集成在一颗芯片上的产物。
而chiplet则不同,是先将各个功能模块做成小芯片,之后再封装到一起,组成系统级芯片。
表面上看,似乎只是制造工序的区别,其实chiplet与soc本质的不同是“异构异质”。
异构集成,指的是可以将不同工艺的芯片集成到一起。
在soc中,由于是在一个芯片中进行集成的,所以各个功能模块必须采用同一工艺制程,要是14nm的都是14nm的,要是7nm的都得是7nm的。
而在chiplet模式下,不同工艺的芯片可以凑到一起。比如cpu用7nm的,接口芯片用14nm的。这就是异构的概念。
异质集成,是指不同材料的芯片可以集成为一体。soc肯定是办不到的。而chiplet模式下,可以将si、gan、inp等等不同材质的小芯片集成到一起。
我们再来说说chiplet与sip的区别
sip(system in package)指系统级封装。通过将多种功能的芯片,包括处理器、存储器、fpga等功能芯片集成在一个封装内,从而实现一个完整的系统。
在概念上来讲,sip与chiplet很像。并且sip同样能够实现异构异质集成的。而它们两者的区别在于,sip是将不同芯片封装在一个基板上,chiplet则是封装到芯片上。
因此,chiplet还是属于芯片,而sip只能算作小系统。chiplet能达到soc的性能 而sip则不一样,因此chiplet多用于高性能领域,sip多用于小型化消费级产品。
chiplet的存在价值
了解了chiplet的概念,可能有人会说,相比soc,chiplet工序既繁琐、又无法完全超越soc的性能,这不是脱裤子放屁多此一举嘛。
而chiplet确实有它存在的意义,主要分如下这么几点:
1. 提升良率: 在芯片制造过程中,一片晶圆有固定的缺陷率。遇到这些无法修复的坏点,只能把它剔除掉。
在同样缺陷分布的情况,切割裸片的的尺寸越大,缺陷的影响率就越高。
soc是在一整颗芯片上进行集成的,所以单颗soc芯片的尺寸会随着集成规模的扩大而越来越大。
当一颗芯片的尺寸达到400甚至600平方毫米时,芯片的良率就会变的很低。这个时候,采用chiplet模式,将大芯片拆成一个个小芯片的制造成本就会有优势。
在这种现实情况下,chiplet或许是一个必然趋势。  
芯粒复用:
在系统级芯片上,很多功能模块都是标准化的。那么在chiplet模式下,应商就可以生产出很多标准化的芯粒,下游客户直接购买芯粒进行封装就可以了。
这就相当于芯粒的重复使用,无形中降低了开发难度,提升了效率。
此外,chiplet模式具有异构集成的特点。有时候一颗高性能芯片,只需要cpu满足更高制程,其他芯片制程低一些没关系。
在soc中,所有功能模块都得跟着最高制程走。而在chiplet模式下就可以区别配置。
比如amd在第三代锐龙(ryzen)处理器上就沿用了第二代霄龙(epyc)处理器的i/o芯片。
由于soc上所有功能模块需同步迭代,伴随制程提高,芯片设计成本随之大幅增长。
在工艺节点为 28nm 时,单颗芯片设计成本约为 0.41 亿美元,而工艺节点为 7nm 时,设计成本快速提升至 2.22 亿美元。
chiplet模式下,芯粒可以选择性迭代,这种复用的结果会明显节约设计成本、缩短研发周期。  
落后制程弯道超车:
目前chiplet具有两个设计思路。一个是按照功能将不同模块拆分,比如amd的三代锐龙处理器。
还有一种设计架构是把具备完整功能的小芯片集合起来,目的是实现性能的增长。
比如苹果的m1 ultra芯片,就是堆叠了两颗m1 max芯片,从而获得两倍算力。 那么在第二种思路下,理论上可以通过chiplet的堆叠,让低端产品实现高端产品的性能。
目前美国对中国高端制程芯片的封锁很严密,那我们就采用chiplet技术,拿14nm、28nm的芯片堆出7nm、5nm的效果。所以这也是chiplet概念近期炒作的逻辑之一。
chiplet与封装技术
chiplet只能说是一种芯片的设计理念,真的要把一个个芯粒拼装在一起,关键得看封装技术能不能跟得上。
2.5d和3d先进封装,是配合chiplet的工艺手段。
2.5d封装,是目前应用于chiplet模式的主流方案,整体技术相对比较成熟。
什么是2.5d封装?说白了就是把一个个芯粒并列排布封装在一起。
不同芯粒之间如何实现互联互通,需要在下层pcb板与上层芯粒间,加入一片硅中介板(silicon interposer)。
硅中介板本身没什么特别的,类似于一颗没有功能的晶圆。但难点在于,要在interposer内部做很多硅通孔(tsv),起到电气垂直互联的作用。
这个工艺难度还是不小的。目前2.5d封装代表技术有三种,分别是台积电的cowos、英特尔的emib以及三星的i-cube。
3d封装相比2.5d能够实现更高密度的堆叠。相比2.5d,小芯片可以直接摞在一起,这就需要在小芯片内直接制作硅通孔(tsv)。因此难度更大。
目前3d封装技术还不是很成熟。比较完善的是应用在dram领域,可以实现100多层的上下堆叠,但这都是同质范畴的,异质堆叠还没那么快。
3d封装技术目前主要有台积电的soic、英特尔的foveros、三星的x-cube。看到没,还是这三家公司。它们的共同特点是都有晶圆制造能力,利用卡位优势,开发自己的先进封装技术。
当然传统封测厂同样也没闲着,在2.5d/3d封装技术上都有布局。比如国内通富微电、长电科技等等。
总的来说,chiplet理想很丰满,但需要依托封装技术才能实现。
chiplet与aigc
这波aigc的风口为什么能把chiplet概念带起来?他们之间有两个维度的关系。 第一点在前面文章中提到过,在美国技术封锁的背景下,咱们有望通过chiplet架构去堆叠芯片的性能,支持算力基础。属于解决开脖子的逻辑。
而第二点呢,目前chiplet模式下产出的芯片,只有在高性能领域才有切实的需求。这与人工智能需要的大算力芯片不谋而合。
前面也讲到过,chiplet概念的诞生,其实是为了解决soc芯片越来越大、制程越来越高以后产生的弊端。比如良率下降、设计成本增加、研发周期更长等问题。
这里核心的矛盾点是后摩尔时代,soc芯片再迭代下去,投入的成本与性能的增长越来越不成正比。
比如就拿芯片尺寸来说,200、300平方毫米以下的芯片,根本就不用做成chiplet架构,soc芯片是最优解。
但当芯片尺寸来到600、800平方毫米甚至更高的时候,也许一颗soc芯片的性能是提高了1倍、2倍,但所投入的综合成本将是5倍、10倍的增长。这个时候chiplet模式的经济效益就凸显出来了。
而这些大尺寸、高制程的芯片,一大应用场景就是在数据中心、ai处理器上。
也就是说aigc如果迎来爆发式增长,那么对于算力的需求会持续扩张,ai芯片再迭代下去,chiplet模式将成为主流。最终带动chiplet产业链实现快速增长。
根据omdia的预测,到2024年,chiplet的全球市场空间会达到58亿美元,到2035年,市场空间将增长到570亿美元,年均增速超过30%。
大家不要觉得很夸张,根据wsts数据,2022年全球半导体市场规模为5735亿美元。570亿美元只是今天全市场的十分之一。
chiplet模式下带来的变化
ip核:  ip是知识产权的意思。芯片领域中的ip核,可以理解为一种已经设计好的电路模块。
在半导体发展早期,没有ip核这个概念,每设计一款芯片,电路都要重新设计。之后大家发现,其实芯片中有很多功能都是相似的,那能不能把这些部分变成模块化,以后再设计芯片时,直接拿过来用就可以了。这就是ip核存在的逻辑。
现在要设计一款soc芯片,设计企业会从ip供应商那里先购买一些ip核,再结合自研模块,集成为一个soc。
ip核就成为了芯片设计环节中的复用产品。好比你要设计一款汽车,轮毂的式样直接用别人的就可以了。
而在chiplet下,这种产业链模式会发生变化。核心在于传统的ip核只停留在设计层面,可chiplet中,ip核可以直接变成一颗颗芯粒,这就形成了硅片形态。
还是拿汽车举例,chiplet模式下,ip核不再是设计层面的轮毂式样,而是变成了实实在在制造好的汽车轮毂。
在这样的逻辑下,以前的ip供应商可以把手中的各种ip制造成小芯片。
这样一来,首先,ip供应商的收入结构变了,以前是ip授权,现在是芯片销售。由于捆绑了芯片制造环节,收入规模会增加。
其次,ip供应商的下游客户将从芯片设计企业转变为芯片直接需求方。比如互联网公司、手机、电脑制造商这些。那相当于ip供应商从tier2变成了tier1,等级进阶了。
osat:   osat指的是外包封测厂。chiplet对于封测有带动作用。
其一,之前提到,chiplet需要先进封装技术的支撑。先进封装工艺难度大,价值量自然更高,这有益于提升封测厂的盈利水平。
其二,chiplet模式下,伴随着产业链结构的变化。未来很有可能,下游产品公司购买小芯片,之后直接找osat企业去集成芯片。对于osat厂相当于拓展了优质客户,同时提升了产业链的地位。
其三,把一颗大的soc拆成几个小的chiplet,之前可能只测一个关键参数,现在每个小芯片都要做测试。相当于增加了封测厂的测试需求。
当然,外包封测厂未来面临着晶圆代工厂的竞争,毕竟人家掌握着核心制造环节,再提供封装服务,是顺理成章的。
eda:   eda是芯片设计的辅助软件。随着芯片线宽不断缩小,eda的作用越来越突显。 而传统eda的思路与chiplet模式是有些矛盾的,缺乏对于芯片与封装之间影响的考虑。导致芯片在2.5d、3d堆叠封装后效率上不去。
所以针对chiplet,eda也应该考虑新的架构。这一变化对于国内eda企业去追赶海外龙头是有所帮助的。就好比国内车企在内燃机时代玩不过海外巨头,但电动车咱们是一个起跑线。
当然这个比喻太夸张了,国内eda企业还有很多短板要补上,不可能说一个chiplet时代就实现逆袭。
chiplet负面思考
说了那么多关于chiplet的好,我们也要去分析分析它的难点与短板在哪里。 首先要说的是关于性能这个话题,通过chiplet方式堆叠芯片,是可以提高性能,但目前效率不高。
按照华为之前测试的结果,拿2个14nm芯片做堆叠,只能达到10nm芯片的性能。用5个14nm的芯片,才能接近7nm水平。
这就达不到1+1=2的程度,更别提什么要拿28nm芯片就能堆出7nm的性能,想都不要想。
这里面的问题与封装工艺有关,与eda软件有关,总之传输速率、散热、干扰这些问题没法完美解决。
其次是效益问题。chiplet要用到先进封装,虽然目前2.5d封装技术已经商业化了,但封装成本还是很高的。
我们看上面这张图,在14nm和5nm制程下,做了不同封装工艺的成本对比。
在14nm上,2.5d封装比soc成本还是高的,没有效益优势。只有到5nm水平,规模化后,2.5d封装才比soc有更低的成本。
所以按照目前的状态,chiplet只能替代高制程、大尺寸的soc芯片。应用空间还是比较狭小的。
未来先进封装成本的下降决定着chiplet的应用范围,但不可能达到全面替代soc的程度。
还有就是接口标准的问题。目前chiplet的发展比较初级,基本是自己搞自己的。而要想达到设想的终极状态,芯粒能像ip核一样在市场流通,所有芯片的互联标准必须要统一起来。
目前英特尔建立了小芯片联盟(ucie),中国也开始制定小芯片接口技术标准。但中美关系或许是个羁绊,制约整个chiplet产业的发展。
最后,还是要说说“卡脖子”这件事。如果漂亮国对咱们的技术封锁只是小打小闹,通过chiplet或许我们在大算力芯片上不至于输的太惨。
而如果是全面打击、晶圆制造、设备、材料、甚至eda软件每个环节都设置障碍,chiplet根本没法解决“卡脖子”问题。
对于chiplet我们更多应该关注的是它的产业趋势,而不是把它炒作成“救命神器”。
相关企业:
前面文章提到,chiplet模式下,对于ip核企业,以及封测企业,尤其是具有先进封装技术的封测企业整体上是利好的。
先说ip核企业。目前a股比较纯的公司有一家,叫芯原股份。它的业务收入可以总结为两大块。一个是帮下游产品客户定制芯片,既可以设计、也可以找代工厂生产。另一块业务就是ip授权。
公司通过不断的并购,目前已经是全球排名第七、国内排名第一的ip授权服务商了。
公司主要的ip核集中在gpu、npu、dsp、vpu这些领域,与ai芯片是比较贴合的。
在chiplet领域,公司自然有布局,是国内首批加入ucie联盟的企业之一。
总的来说,从业务纯度、产品线贴合度、以及市场的稀缺程度来看,芯原股份是比较受益chiplet概念的标的。
下面再来说说封测企业。由于传统封测技术壁垒不高,中国已经承接了来自全球的封测业务。在全球排名靠前的企业包括长电、通富、华天这些。
由于这些龙头企业的技术实力靠前,在先进封装技术上都或多或少有建树,因此都算chiplet利好标的。
这里重点说下通富微电,因为它在chiplet上预期更好一些。
通富微电2016年收购了amd的封测业务,从此就傍上了“大佬”,与amd深度捆绑,承接了amd大部分封测订单。
而amd算是chiplet方案的开山鼻祖,2019年的锐龙2处理器,就使用了chiplet架构。也是因为chiplet技术的加持,amd把英特尔干的不行。
通富微电与amd捆绑那么深,自然在先进封装技术上,走在了全球的前端。
目前公司已建成国内顶级超大尺寸fcbga研发平台与2.5d/3d封装平台(visions)。并且已经开始大规模生产chiplet 产品了。
所以,在a股市场如果找先进封装企业,不谈股性,通富微电的基本面是最纯粹的。
最后总结一下。chiplet在需求端确实会受益aigc的发展在供给端则要看先进封装技术的不断突破。
有人可能会问,为什么gpu大佬英伟达还没有使用chiplet?可能因为它的产品附加值太高了,现在过的还很舒服。但当英伟达准备上chiplet的时候,chiplet的大势或许就真的来了。


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