半導(dǎo)體是知識(shí)與資本密集產(chǎn)業(yè)，產(chǎn)業(yè)很早就走向?qū)I(yè)分工，中國(guó)臺(tái)灣雖在制造、封裝等領(lǐng)域已居全球領(lǐng)先群，但在IC設(shè)計(jì)領(lǐng)域仍呈現(xiàn)大者恒大的M型分布，除了少數(shù)大廠，能與全球設(shè)計(jì)大廠爭(zhēng)勝者并不多。工研院資訊與通訊研究所所長(zhǎng)闕志克分析，如果照目前情勢(shì)發(fā)展，中國(guó)臺(tái)灣營(yíng)業(yè)額排名15名之后的IC設(shè)計(jì)業(yè)者，未來(lái)極有可能在市場(chǎng)上消失。

　　半導(dǎo)體芯片的應(yīng)用日益廣泛，生活周遭的各種用品，或多或少都內(nèi)建了各式功能的IC。因應(yīng)未來(lái)數(shù)位化的多元應(yīng)用，半導(dǎo)體芯片的重要性勢(shì)必提升，帶來(lái)龐大商機(jī)。近年全球頂尖半導(dǎo)體業(yè)者，窮盡努力延續(xù)摩爾定律的嘗試不斷，其中小芯片系統(tǒng)（Chiplet）的先進(jìn)封裝技術(shù)，在大廠相繼采用下備受關(guān)注，工研院決定超前部署，建構(gòu)中國(guó)臺(tái)灣的「小芯片生態(tài)系統(tǒng)」。

　　闕志克解釋?zhuān)F(xiàn)行IC是由80%的外部IP加上20%自行研發(fā)設(shè)計(jì)所組成，在這其中外部IP需要支付授權(quán)費(fèi)用，這也造成IC設(shè)計(jì)業(yè)者在產(chǎn)品尚未售出時(shí)，就必須先投入一筆成本，日后即使銷(xiāo)售狀況不佳，這筆成本也難以回收。

　　小芯片生態(tài)系統(tǒng)的作法是先將IC設(shè)計(jì)公司自身的20%設(shè)計(jì)完成，80%的外部IP則由第三方以小芯片方式供應(yīng)，透過(guò)芯片封裝制造平臺(tái)，將自身設(shè)計(jì)的部分與外部IP整合在同一封裝內(nèi)銷(xiāo)售，至于IP的授權(quán)金，則視銷(xiāo)售量支付，用多少算多少。除了可以大幅降低IC設(shè)計(jì)業(yè)者的負(fù)擔(dān)，也讓半導(dǎo)體制造商的商業(yè)模式更多元。

　　未來(lái)多數(shù)的智能化系統(tǒng)，將會(huì)整合許多功能不同的小IC，這類(lèi)多元類(lèi)型的IC，十分適合具備高彈性設(shè)計(jì)能力的中國(guó)臺(tái)灣業(yè)者。工研院「2030技術(shù)策略與藍(lán)圖」在半導(dǎo)體芯片技術(shù)上，希望透過(guò)小芯片生態(tài)系統(tǒng)，強(qiáng)化整體IC設(shè)計(jì)產(chǎn)業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力，打造高能效、低成本、高傳輸，可快速上市的小芯片設(shè)計(jì)技術(shù)。

　　IEEE：Chiplet是處理器的未來(lái)！

　　想要處理器中更多的計(jì)算能力？添加更多的硅？但是復(fù)雜性和成本開(kāi)始侵蝕這個(gè)準(zhǔn)則。

　　隨著時(shí)間的發(fā)展，die尺寸的發(fā)展已經(jīng)無(wú)情地往上走隨著時(shí)間的推移而達(dá)到了芯片制造設(shè)備可以生產(chǎn)的極限，AMD的 Samuel Naffziger 今年早些時(shí)候在舊金山舉辦的國(guó)際固態(tài)電路會(huì)議（ISSCC）上在告訴工程師。同時(shí)，對(duì)于固定尺寸的die，每平方毫米的成本一直在不斷增加，并且正在加速增長(zhǎng)，他說(shuō)。

　　不斷上漲的成本和越來(lái)越大的芯片尺寸共同導(dǎo)致了一種解決方案——在該解決方案中，處理器由較小的，生產(chǎn)成本較低的chiplet的集合構(gòu)成，這些小芯片通過(guò)單個(gè)封裝中的高帶寬連接綁定在一起。在ISSCC上，AMD，英特爾和法國(guó)研究組織CEA-Leti 展示了該方案可以走多遠(yuǎn)。

　　CEA-Leti處理器在由薄硅片制成的“有源中介層”（active interposer）上堆疊了六個(gè)16核小芯片，以創(chuàng)建96核處理器。interposer裝有通常在處理器本身上才有的電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)（voltage-regulation systems ）。它還具有片上網(wǎng)絡(luò)，該片上網(wǎng)絡(luò)使用三種不同的通信電路來(lái)鏈接內(nèi)核的片上SRAM存儲(chǔ)器。該網(wǎng)絡(luò)能夠在每平方毫米的硅芯片上實(shí)現(xiàn)每秒傳輸3 TB數(shù)據(jù)的速度，而每毫米的延遲僅有0.6納秒。

　　CEA-Leti的科學(xué)主管Pascal Vivet表示，有源中介層是chiplet技術(shù)的最佳發(fā)展方向，如果它允許將來(lái)自多個(gè)供應(yīng)商的不同技術(shù)集成到單個(gè)系統(tǒng)中的話(huà)。他說(shuō)：“如果要將賣(mài)方A的小芯片與賣(mài)方B的小芯片集成在一起，并且它們的接口不兼容，則需要一種將它們粘合（glue）在一起的方法?！?“并且將它們粘合在一起的唯一方法是使用interposer中的有源電路?！?/p>

　　小芯片發(fā)燒友們希望重新構(gòu)建片上系統(tǒng)行業(yè)，以便借助標(biāo)準(zhǔn)化接口，可以輕松整合多個(gè)供應(yīng)商的小芯片。結(jié)果將是更便宜，更靈活的混合搭配系統(tǒng)。

　　但是行業(yè)還不存在。英特爾和AMD并沒(méi)有生產(chǎn)簡(jiǎn)單的混搭系統(tǒng)，而是各自設(shè)計(jì)了新的小芯片，以彼此之間以及與集成它們的軟件包進(jìn)行緊密協(xié)作。盡管如此，結(jié)果似乎還是值得期待的。

　　英特爾使用其稱(chēng)為Foveros的3D小芯片集成技術(shù)來(lái)生產(chǎn)新的Lakefield移動(dòng)處理器。Foveros通過(guò)將小芯片彼此堆疊并通過(guò)底部芯片垂直地從封裝中傳遞功率和數(shù)據(jù)，從而在小芯片之間提供了高數(shù)據(jù)速率的互連。

　　在ISSCC上，英特爾的Wilfred Gomes解釋說(shuō)，Lakefield的目標(biāo)之一是將圖形計(jì)算提高約50％，但待機(jī)功耗僅僅為前代產(chǎn)品的十分之一。目前沒(méi)有一個(gè)單一的制造工藝可以生產(chǎn)出能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)目標(biāo)的晶體管，但是Foveros允許將具有專(zhuān)為高性能計(jì)算而設(shè)計(jì)的晶體管的模具與專(zhuān)為出色的待機(jī)功耗而設(shè)計(jì)的die相混合。

　　AMD一直在使用連接在芯片封裝內(nèi)有機(jī)基板上的小芯片。該公司在ISSCC上詳細(xì)介紹了如何為第二代EPYC高性能處理器設(shè)計(jì)小芯片和封裝。前一代由四個(gè)小芯片組成。但是為了在減少成本的同時(shí)容納更多的硅，該公司重新設(shè)計(jì)了小芯片，以便僅將計(jì)算內(nèi)核升級(jí)到中國(guó)臺(tái)灣半導(dǎo)體制造公司的7納米工藝技術(shù)，這是目前最先進(jìn)的技術(shù)。所有其他功能都堆放在使用較舊的，成本較低的技術(shù)制成的中央輸入/輸出小芯片中。這樣做之后，“我們必須弄清楚如何以與四個(gè)封裝相同的封裝尺寸來(lái)布線(xiàn)九個(gè)小芯片” ，Naffziger說(shuō)。結(jié)果是“前所未有的數(shù)量的芯片/封裝聯(lián)合設(shè)計(jì)。”

　　Omdia：未來(lái)四年Chiplets市場(chǎng)規(guī)模將增長(zhǎng)9倍

　　根據(jù)Omdia的最新研究，到2024年，在制造工藝中利用Chiplets的處理器微芯片的全球市場(chǎng)規(guī)模將擴(kuò)大到58億美元，比2018年的6.45億美元增長(zhǎng)9倍。

　　根據(jù)摩爾定律，由于半導(dǎo)體制造技術(shù)的不斷發(fā)展，可放置在單個(gè)硅芯片上的晶體管數(shù)量每?jī)赡攴环?。然而，近年?lái)，隨著半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝在極小的尺寸下遇到物理限制，倍增的速度已經(jīng)放慢。

　　Chiplets通過(guò)用多個(gè)較小的芯片代替一個(gè)硅芯片來(lái)有效地繞過(guò)摩爾定律，這些芯片在統(tǒng)一的封裝解決方案中一起工作。與單片微芯片相比，這種方法提供了更多的硅來(lái)添加晶體管。這樣，Chiplets有望延續(xù)摩爾定律，恢復(fù)到兩年翻一番的周期，這為半導(dǎo)體經(jīng)濟(jì)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

　　Omdia嵌入式處理器首席分析師Tom Hackenberg說(shuō)：“當(dāng)Moore首次發(fā)表摩爾定律時(shí)，他提供了一個(gè)關(guān)鍵的預(yù)測(cè)基準(zhǔn)，為整個(gè)技術(shù)行業(yè)設(shè)定了發(fā)展周期。從軟件開(kāi)發(fā)人員到系統(tǒng)設(shè)計(jì)師，再到技術(shù)投資者，幾十年來(lái)，每個(gè)人都依賴(lài)摩爾定律所規(guī)定的迅速的兩年時(shí)間表。隨著Chiplets的到來(lái)，半導(dǎo)體業(yè)務(wù)和依賴(lài)Chiplets的業(yè)務(wù)現(xiàn)在有機(jī)會(huì)回到慣常的發(fā)展速度，這種速度為整個(gè)科技行業(yè)帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。”

　　Chiplets正被更高級(jí)和高度集成的半導(dǎo)體器件采用，例如，微處理器（MPU），片上系統(tǒng)（SOC）設(shè)備，圖形處理單元（GPU）和可編程邏輯設(shè)備（PLD）。MPU細(xì)分市場(chǎng)代表著不同微芯片產(chǎn)品類(lèi)型中最大的Chiplets單一市場(chǎng)。預(yù)計(jì)到2024年，支持Chiplets的全球MPU市場(chǎng)將從2018年的4.52億美元增長(zhǎng)到24億美元。

　　Hackenberg說(shuō)：“要保持競(jìng)爭(zhēng)力，MPU制造商必須始終堅(jiān)持半導(dǎo)體制造技術(shù)保持在最前沿。這些公司在摩爾定律放緩中損失最大。因此，這些公司是最早采用Chiplets的，很可能是Chiplets標(biāo)準(zhǔn)化工作的主要貢獻(xiàn)者。”

　　MPU供應(yīng)商（例如Intel和AMD）一直是制造專(zhuān)有高級(jí)封裝Chiplets的早期創(chuàng)新者。英特爾還是開(kāi)放計(jì)算項(xiàng)目，特定于開(kāi)放域的體系結(jié)構(gòu)（OCP ODSA）基金會(huì)的成員，該基金會(huì)正在促進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)的開(kāi)發(fā)，以幫助實(shí)現(xiàn)高級(jí)封裝策略。

　　隨著MPU的早期采用，預(yù)計(jì)到2024年，計(jì)算領(lǐng)域?qū)⒊蔀镃hiplets的主要應(yīng)用市場(chǎng)。到2020年，計(jì)算將占其總收入的96％，到2024年將占92％。

　　從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，Omdia預(yù)計(jì)Chiplets收入將繼續(xù)增長(zhǎng)，到2035年將達(dá)到570億美元。

　　這種增長(zhǎng)的很大一部分將由充當(dāng)異構(gòu)處理器的Chiplets驅(qū)動(dòng)，即結(jié)合了不同處理元素的芯片，例如集成了圖形，安全引擎，人工智能（AI）加速，低功耗物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的應(yīng)用處理器控制器等。

　　Hackenberg說(shuō)：“Chiplets代表了一種創(chuàng)新的方法，可以幫助發(fā)展新的封裝技術(shù)，新的設(shè)計(jì)策略和新的材料。這種令人振奮的新方法還可以通過(guò)不同的貢獻(xiàn)者實(shí)現(xiàn)更具競(jìng)爭(zhēng)性的格局?！?/p>