2020年7月8日，具有歷史意義的一天，作為AI計(jì)算架構(gòu)的代表英偉達(dá)市值達(dá)到2480億美元，超過傳統(tǒng)計(jì)算架構(gòu)寡頭Intel 2460億美元市值，而五年前，英偉達(dá)的市值僅為Intel的1/10。這預(yù)示著新架構(gòu)和新產(chǎn)業(yè)正勢(shì)不可擋的快速崛起。

作為一種芯片級(jí)IP整合重用技術(shù)，Chiplet技術(shù)近年來受到廣泛的關(guān)注。與傳統(tǒng)的單芯片（Monolithic ASICs）集成方式相比，Chiplet異構(gòu)集成技術(shù)在芯片性能功耗優(yōu)化、成本以及商業(yè)模式多方面具有優(yōu)勢(shì)和潛力，為CPU、FPGA以及網(wǎng)絡(luò)芯片等多領(lǐng)域芯片的研制提供了一種高效能、低成本的實(shí)現(xiàn)方式。Chiplet技術(shù)涉及的互連、封裝以及EDA等關(guān)鍵技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)逐漸成為學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的研究熱點(diǎn)。

10月22日，由中國(guó)計(jì)算機(jī)協(xié)會(huì)（CCF）主辦的計(jì)算領(lǐng)域年度盛會(huì)中國(guó)計(jì)算機(jī)大會(huì)（CNCC）在北京隆重召開，會(huì)議針對(duì)Chiplet技術(shù)特設(shè)了主題技術(shù)論壇。來自中科院、新思科技、摩爾精英等機(jī)構(gòu)企業(yè)的專家學(xué)者共同探討Chiplet技術(shù)以及對(duì)未來芯片產(chǎn)業(yè)的影響。

國(guó)內(nèi)Chiplet的發(fā)展成果和布局

中科院計(jì)算所副研究員王穎博士在開場(chǎng)就談到了Chiplet的意義。他談到，從技術(shù)意義上來看，Chiplet是芯片生產(chǎn)與集成技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)，它所依賴的2.5D封裝或者3D堆疊技術(shù)具有低半徑高寬帶的物理連接特性，較低的數(shù)據(jù)搬運(yùn)開銷以及更高的晶體管集成度；從工業(yè)意義上來講：Chiplet同時(shí)也是一種新的設(shè)計(jì)/商業(yè)模式，相比復(fù)用IP的單片SoC以及真三維芯片，Chiplet具有成本優(yōu)勢(shì)；再者 通過復(fù)用現(xiàn)有Die，它還具有開發(fā)敏捷度優(yōu)勢(shì) ；通過集成Known-good Die，能提升大規(guī)模芯片良率；另外通過異質(zhì)集成還能降低對(duì)工藝的依賴。

當(dāng)然Chiplet還面臨著諸多挑戰(zhàn)，例如在封裝技術(shù)與生產(chǎn)工藝、EDA工具鏈、熱耗散，時(shí)鐘與功耗運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)、片上互聯(lián)（NoC）或Interposer上互聯(lián)、Chiplet間接口與協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化、Chiplet模塊的DFT、驗(yàn)證、可靠性與DFM、新的IP共享與授權(quán)模式上、體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)的片間劃分等等。因此，Chiplet的發(fā)展還需要產(chǎn)業(yè)界的共同努力。

中國(guó)科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所研究員韓銀和就《機(jī)器人專用處理器-多智能處理的異構(gòu)架構(gòu)和集成》主題發(fā)表了精彩的演講。他講到，隨著摩爾定律遲緩，需要更多結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，圖靈獎(jiǎng)得主David Patterson的研究也表明芯片體系結(jié)構(gòu)的黃金時(shí)代正在來臨。而具體到機(jī)器人領(lǐng)域上，機(jī)器人處理器是一個(gè)全新的芯片種類，他需要支持機(jī)器人應(yīng)用所涉及到的主要功能的加速。我們也正在機(jī)器人專用處理器領(lǐng)域進(jìn)行探索，并開發(fā)出了多款芯片。

“機(jī)器人處理信息的流程，可以抽象為感知-判定-決策-行動(dòng)四個(gè)步驟，我們提出了Dadu、Dadu-P、Dadu-CD等多種異構(gòu)并行架構(gòu)，從宏觀上的路徑規(guī)劃，以及微觀上的關(guān)節(jié)控制計(jì)算兩個(gè)核心步驟上著手，加速機(jī)器人上運(yùn)行的核心處理步驟。Dadu機(jī)器人處理器路線圖分為4代，第一代機(jī)械臂以CPU、CNN和關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)為主，目前已流片；第二代主要是無人機(jī)，側(cè)重在運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，驗(yàn)證芯片已流片，新版本正在開發(fā)中；第三代則是服務(wù)機(jī)器人，采用CPU和OODA，相關(guān)的驗(yàn)證芯片正在設(shè)計(jì)中；第四代將屬于認(rèn)知機(jī)器人范疇，或許將采用新器件新集成的方法，我們也正在探索用Chiplet集成的方法，快速擴(kuò)展芯片功能，降低芯片設(shè)計(jì)周期和制造成本?！表n銀和在會(huì)上介紹到。

在韓銀和看來， 專用處理器是星星之火，專用處理器種類型多了，也能成燎原之勢(shì)，彌補(bǔ)我們?cè)谕ㄓ锰幚砥魃系牟蛔恪?/p>

據(jù)Gartner預(yù)測(cè)，到2023年，計(jì)算產(chǎn)業(yè)的規(guī)模將超過2萬億美元。這2萬億美元不是延用傳統(tǒng)架構(gòu)的計(jì)算產(chǎn)業(yè)，而是突破能效墻、散熱墻、優(yōu)化墻、內(nèi)存墻、高速IO墻的基于系統(tǒng)架構(gòu)、晶圓拼裝工藝創(chuàng)新的增量市場(chǎng)。

在立足國(guó)情揚(yáng)長(zhǎng)避短，謀求與美國(guó)同位乃至錯(cuò)維競(jìng)爭(zhēng)的問題上，國(guó)家數(shù)字交換系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心研究員劉勤讓指出，需最大程度的發(fā)揮芯片技術(shù)在新結(jié)構(gòu)、新計(jì)算、新互聯(lián)以及新集成上的后發(fā)優(yōu)勢(shì)，同時(shí)要充分兼顧國(guó)內(nèi)在加工、封裝、測(cè)試和工具上的實(shí)際水平，以此來探索工藝與體系協(xié)同迭代的創(chuàng)新。因此，在深刻剖析集成電路發(fā)展困局的基礎(chǔ)上，結(jié)合軟件定義體系結(jié)構(gòu)創(chuàng)新成果，軟件定義晶上系統(tǒng)（SDSoW）提出。

劉勤讓講解到，SDSoW從互連密度驅(qū)動(dòng)智能涌現(xiàn)出發(fā)，用TCB集成代替PCB集成，實(shí)現(xiàn)3個(gè)數(shù)量級(jí)的互連密度提升；聯(lián)合體系結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新，用晶圓級(jí)資源倍增軟件定義的功能、性能和效能增益，實(shí)現(xiàn)1~3個(gè)數(shù)量級(jí)的性能和效能增益。通過軟件定義晶上系統(tǒng)的創(chuàng)新，在體積、帶寬、延遲、功耗、等方面可以獲得4~6個(gè)數(shù)量級(jí)的綜合增益，由此帶動(dòng)集成電路從片上系統(tǒng)邁入晶上系統(tǒng)新時(shí)代，并全面刷新新型基礎(chǔ)設(shè)施的技術(shù)物理形態(tài)。

此外，SDSoW還將催生新經(jīng)濟(jì)性的衡量指標(biāo)和商業(yè)模式。 現(xiàn)在靠賣物化的芯片來獲得利潤(rùn)， 目前主要以芯片設(shè)計(jì)/流片的費(fèi)用對(duì)比芯片的預(yù)期銷售規(guī)模作為經(jīng)濟(jì)性衡量指標(biāo)；未來則是 靠賣云化的服務(wù)獲得利潤(rùn) ，以芯片設(shè)計(jì)/流片的費(fèi)用對(duì)比芯片的預(yù)期服務(wù)次數(shù)作為經(jīng)濟(jì)性衡量指標(biāo)。服務(wù)模式在發(fā)生轉(zhuǎn)變，微電子技術(shù)經(jīng)濟(jì)性的邊界也在轉(zhuǎn)變，因此， 我們需要探索出一條以“新賽場(chǎng)、新賽道”實(shí)現(xiàn)一流系統(tǒng)的集成電路發(fā)展的新道路。

新思科技高級(jí)技術(shù)經(jīng)理王迎春的演講主題為《DesignWare Die-to-Die PHY Solution for Chiplet》。他介紹了Chiplet的典型的應(yīng)用場(chǎng)景，如Scale SoC， Split SoC和異構(gòu)計(jì)算等，以及與之適配的Synopsys DesignWare PHY IP solution，重點(diǎn)說明了PHY IP的技術(shù)指標(biāo)對(duì)這些系統(tǒng)應(yīng)用的意義。同時(shí)，簡(jiǎn)要介紹了PHY IP的結(jié)構(gòu)，完整的Chiplet設(shè)計(jì)流程和測(cè)試方案。Synopsys有最新的3DIC Compiler，這也是行業(yè)內(nèi) 第一個(gè)完整的Chiplet設(shè)計(jì)平臺(tái)，具備360 o 視角的3D視圖，支持2.5D/3D封裝設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)化和可視化，同時(shí)面向供電、發(fā)熱和噪聲進(jìn)行優(yōu)化。

在摩爾精英董事長(zhǎng)兼CEO張競(jìng)揚(yáng)看來，Chiplet無疑是未來芯片行業(yè)最重要的趨勢(shì)之一，這與整個(gè)電子和半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的分工協(xié)作是一脈相承的。尤其是Foundry和IP授權(quán)模式的誕生，承擔(dān)了產(chǎn)業(yè)鏈一頭一尾的工作，大大降低了半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的推入門檻。而隨著芯片定制成本攀升和碎片化市場(chǎng)的矛盾不斷凸顯，芯片行業(yè)需要大幅提升芯片研發(fā)效率。 回看“摩爾定律”其實(shí)暗藏伏線，其中一條路是按照每18個(gè)月集成度翻倍發(fā)展，另一條沒被大家關(guān)注的路徑是，通過封裝的形式將小功能模塊合在一起，可能是更經(jīng)濟(jì)的方式。

“Chiplet推廣困難重重，六大要素互為因果。第一個(gè)是市場(chǎng)需求和采購(gòu)不明確，不明確的原因是Chiplet的分工和互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)還沒有確認(rèn)，因?yàn)闆]有這些標(biāo)準(zhǔn)就沒有穩(wěn)定多樣的Chiplet供給，而對(duì)于SiP封裝設(shè)計(jì)和整合方面又面臨著軟件、模型和平臺(tái)上的難題，再就是現(xiàn)在還不具備柔性快速生產(chǎn)能力，最后就是品質(zhì)管控和保險(xiǎn)賠付問題比較復(fù)雜。”張競(jìng)揚(yáng)指出。

好在中國(guó)2000多家芯片公司中，有很多小公司愿意嘗試新的服務(wù)模式。而摩爾精英也正在探索建立一個(gè)SiP的平臺(tái)， 通過嚴(yán)選的SiP芯片、借力現(xiàn)有的KGD裸片過渡，統(tǒng)一芯片生產(chǎn)和品質(zhì)控制 ，建立一站式Chiplet研發(fā)、生產(chǎn)、銷售協(xié)作平臺(tái)，從而能讓更多的芯片企業(yè)享受到SiP設(shè)計(jì)和柔性生產(chǎn)的服務(wù)。

中國(guó)科學(xué)院微電子研究所研究員王啟東針對(duì)《Chiplet與異質(zhì)集成-摩爾定律延續(xù)的一些思考》的主題做了報(bào)告。王啟東講到，Chiplet與異質(zhì)集成有本質(zhì)區(qū)別：Chiplet的發(fā)起者主要是IDM和Foundry，如AMD和Intel， Chiplet主要解決Foundry的制造和成本問題，解決IDM的產(chǎn)品差異化問題 ， 解決off-the-shelf的多品種小批量問題 。而異質(zhì)集成的發(fā)起者主要是OEM和Packaging house，對(duì)于數(shù)字、模擬、射頻、電源、天線等芯片來說， 小型化、高功能化，一體化將是最終訴求。

Chiplet的技術(shù)內(nèi)涵其實(shí)是一個(gè)自上而下的革命，通過先進(jìn)封裝技術(shù)如2.5D/3D TSV封裝、Fanout封裝、先進(jìn)功能性基板等，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)的接口、協(xié)議形成Chiplet。但如前文所說，Chiplet在設(shè)計(jì)和制造等方面還面臨諸多挑戰(zhàn)，據(jù)王啟東介紹，微電子所的先進(jìn)封裝平臺(tái)華進(jìn)半導(dǎo)體是一家以先進(jìn)封裝/系統(tǒng)集成技術(shù)研究與開發(fā)為主的企業(yè)化獨(dú)立運(yùn)營(yíng)的國(guó)家級(jí)研發(fā)平臺(tái)。目前中科院微電子所擁有Chiplet所需的先進(jìn)封裝技術(shù)，覆蓋了設(shè)計(jì)、仿真、制造、測(cè)試的鏈條環(huán)節(jié)，希望與國(guó)內(nèi)企業(yè)、院所一道開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)接口與協(xié)議，打造國(guó)內(nèi)基于Chiplet的生態(tài)。

Chiplet能否有利于解決芯片行業(yè)卡脖子難題？

中科院計(jì)算所副研究員王郁杰博士主持了最后的圓桌會(huì)議，會(huì)議中針對(duì)“Chiplet設(shè)計(jì)技術(shù)是不是未來芯片敏捷開發(fā)的使能技術(shù)？對(duì)芯片的設(shè)計(jì)流程有何影響？Chiplet是否有利于我國(guó)擺脫現(xiàn)有EDA與芯片制造行業(yè)卡脖子現(xiàn)狀？國(guó)內(nèi)Chiplet制造、集成與封裝技術(shù)的現(xiàn)狀與未來？”這幾個(gè)問題，幾位演講人展開了激烈的討論。

劉勤讓認(rèn)為Chiplet是對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)、技術(shù)以及產(chǎn)業(yè)形態(tài)的重塑，無論是從成本、摩爾定律的困局以及未來的云化服務(wù)商來看，Chiplet是技術(shù)和產(chǎn)業(yè)雙重需要的發(fā)展趨勢(shì)，這對(duì)我們擺脫現(xiàn)有困局具有現(xiàn)實(shí)意義。

王迎春也認(rèn)為，從EDA發(fā)展的角度來看，Chiplet的發(fā)展是必然的趨勢(shì)，國(guó)際諸多組織都紛紛在Chiplet上發(fā)力。但EDA的創(chuàng)新是在核心基礎(chǔ)創(chuàng)新，解決卡脖子的問題不僅僅在Chiplet上，在EDA的布局布線、邏輯綜合以及最底層的算法上都要有創(chuàng)新。當(dāng)下芯片行業(yè)備受重視，人才不斷涌進(jìn)芯片行業(yè)，這對(duì)我們來說是一大利好。

張競(jìng)揚(yáng)指出，解決卡脖子問題不是把別人的手掙脫開，而是Chiplet可以孕育出更多創(chuàng)新的應(yīng)用。全球芯片產(chǎn)業(yè)為4600多億美金，而全球GDP有80多萬億美金，還有很多芯片應(yīng)用場(chǎng)景待開發(fā)。目前包括智能家居和機(jī)器人在內(nèi)的諸多應(yīng)用，按照今天的芯片設(shè)計(jì)成本攀升曲線，短期內(nèi)是很難大規(guī)模普及的。如果能通過Chiplet技術(shù)，大幅降低芯片的成本，再借助中國(guó)的生態(tài)優(yōu)勢(shì)，打通更多的碎片化應(yīng)用場(chǎng)景，則能產(chǎn)生更多的訂單，進(jìn)一步擴(kuò)大中國(guó)的消費(fèi)市場(chǎng)。

王啟東表示，Chiplet可以緩和目前卡脖子的現(xiàn)狀，但它并不能從根本上解決這個(gè)問題。從系統(tǒng)應(yīng)用角度來看，Chiplet可以支持大家百花齊放。而在關(guān)鍵的CPU、GPU、FPGA以及模擬工藝、特色工藝來看，集成電路的先進(jìn)工藝技術(shù)仍是必修課，需要工藝人員的不懈努力解決高端制造問題，并與前端的IP、EDA進(jìn)行互動(dòng)形成協(xié)同的發(fā)展才可以解決現(xiàn)在的問題。

王穎認(rèn)為，長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，Chiplet技術(shù)確實(shí)是一項(xiàng)很重要的形式，但并不會(huì)完全替代PCB這樣的集成技術(shù)。對(duì)于當(dāng)前卡脖子問題，Chiplet作為權(quán)宜之計(jì)，可以通過異質(zhì)集成彌補(bǔ)先進(jìn)IC工藝短板，追求系統(tǒng)級(jí)的效能優(yōu)勢(shì)，但不能從根本上解決問題，因?yàn)榈叫沦惖乐?，還是要考驗(yàn)核心技術(shù)，例如Chiplet設(shè)計(jì)方法涉及的2.5D，3D集成制造技術(shù)，三維版圖設(shè)計(jì)、電源網(wǎng)絡(luò)、物理設(shè)計(jì)仿真等EDA技術(shù)。他期待有機(jī)構(gòu)和工業(yè)界聯(lián)合起來，通過開源與標(biāo)準(zhǔn)化組織方式，率先把Chiplet設(shè)計(jì)模式所需的重要物理IP或者接口協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)搭建起來，讓大家在上面做迭代，真正在Chiplet的賽道上避免卡脖子問題。
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