像搭乐高一样搭芯片：风口上的Chiplet，能否带来下一次芯片革命？

作者：范文婧

编辑：赵健

来源：甲子光年（ID：jazzyear）

Chiplet是今年芯片领域最火的概念。

海外巨头们的新产品纷纷提及Chiplet。

在9月初的Hot Chips 34大会上，英特尔展示了即将发布的Meteor Lake芯片，并着重解释了如何应用Chiplet技术；

快英特尔一步，AMD早几天也开了发布会，在强调Chiplet技术的同时，发布了基于Chiplet技术的旗舰芯片Ryzen 7000；

另一边，英伟达在9月的GTC发布会上虽然没有提到Chiplet，但它与中国公司阿里巴巴在8月初成为了Chiplet全球产业联盟UCIe（Universal Chiplet Interconnect Express）的董事会成员。

让Chiplet火爆的原因来自今年3月“UCIe联盟”的成立。这个联盟从初始就汇集了几乎所有芯片巨头公司——英特尔、AMD、ARM、Google Cloud、Meta、微软、高通、三星、台积电。

四月开始，国内芯片产业链的公司也纷纷加入UCIe。

如IP公司芯原、芯耀辉、牛芯、灿芯，EDA公司芯和，封测公司长电科技、通富微电，AI芯片公司希姆计算、芯云凌、蓝海智能、辉羲智能，以及专做Chiplet的公司奇异摩尔等。

一级市场中，Chiplet是少数几个还在活跃的概念。

过去一个月，Chiplet公司北极雄芯、EDA公司芯瑞微获得融资，这是两家公司在今年第二次获得融资。

除此之外，今年获得融资的Chiplet概念公司还包括：汽车芯粒公司芯砺智能（8月）、Chiplet公司奇异摩尔（8月）、Chiplet架构的CPU公司超摩科技（7月）、高速接口IP公司中茵微（7月）等。

Chiplet甚至搅动了被唱衰的二级市场。

封装技术公司大港股份在7~8月间的15个交易日里，有11个涨停，引发巨大关注。不过，大港在8月底也发生了几次大跌，同样趋势的Chiplet概念股还有IP公司芯原股份和AI芯片公司寒武纪。

实际应用中，中国的芯片企业也已经开始发布应用了Chiplet技术的芯片。

明星创业公司壁仞科技在8月发布的BR100和BR104中表示采用Chiplet技术；同为明星芯片公司的寒武纪在2021年11月发布的芯片思元370就已经采用了Chiplet技术。

有业内人士透露，中国也将成立一个类似UCIe的联盟，最晚会在年内发布消息。

不少人认为，Chiplet将会是中国芯片“弯道超车”的机会；也有人泼冷水，指出中国芯片想要引领潮流还为时过早。

但Chiplet作为下一代芯片的发展趋势已经势不可挡。

在国际上，芯片巨头势必不愿意将这一趋势的成果拱手让人。在中国，也许正是因为产业链才刚刚起步，才让这些公司有更多合作的可能。

对于中国芯片企业和产业来说，Chiplet的浪潮也许不能产生出“伟大”的公司，但却可以成为加快国产化、促进自给自足的重要机遇。

首先解释一下Chiplet的概念。

目前，主流系统级单芯片（SoC）都是将多个负责不同类型计算任务的计算单元，通过光刻的形式制作到同一块晶圆上。比如，目前旗舰级的智能手机的SoC芯片上，基本都集成了CPU、GPU、DSP、ISP、NPU、Modem等众多的不同功能的计算单元，以及诸多的接口IP，追求的是“高度的集成化”，利用先进制程对于所有的单元进行全面的提升。

而Chiplet的理念则与之相反。Chiplet也称作“芯粒”，它是将原本一块复杂的SoC芯片，从设计时就按照不同的功能单元进行分解，然后每个单元选择最适合的半导体制程工艺分别进行制造，再通过先进封装技术将各个单元彼此互联，就像“乐高积木”一样封装为一个系统级芯片组。

在这一过程中，由于单块芯粒面积更小，制造成本大幅降低，也可能会带来性能的增长。

Chiplet的产生与“摩尔定律”的发展息息相关。

英特尔创始人戈登·摩尔曾总结了一个趋势，即集成电路上可以容纳的晶体管数目每经过18-24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍，同时其价格也会降低为原来的一半——这便是大名鼎鼎的摩尔定律。

过去半个世纪，芯片行业一直遵循摩尔定律发展。1970年，英特尔发布世界上第一块商用芯片Intel 4004，面积为3mm*4mm，只包含了2250个晶体管。而今年苹果iPhone 14搭载的A16芯片，采用了台积电4nm工艺，晶体管数量来到了160亿颗。

但如今，芯片工业已经逼近物理极限。比如，芯片公司已经在研发3nm甚至更小的制程，只有15个硅原子的宽度，大约是一根头发的2万分之一。经济层面，超大的面积让硅片制造的良率很低，目前700~800平方毫米的硅片良率还不足30%，极大增加了制造成本。

因此，近几年行业内不断有传出“摩尔定律已死”的言论。就在今年10月新一代显卡的发布会上，英伟达CEO黄仁勋便直言“摩尔定律已死”，往后的芯片性能不会再遵循这个定律。

业界纷纷探索其他提升芯片性能的路径。事实上，从10nm工艺开始，除了台积电、英特尔、三星三家公司之外，其他芯片制造厂商已经放弃了更小、更先进制程的研究。

例如通过不同类型芯片分别处理不同部分而达到更优的效果（异构）、为特定的功能定制芯片（ASIC）、软件和算法层面的迭代等等。Chiplet则是另外一种解决方案，早在2011年，Xilinx、AMD、Intel就已经开始内部探索，并推出产品。

应用Chiplet技术可以带来许多优势。

提升良率。当需要制造的芯片被拆成小块分别制造，单片的良率就可以达到90%以上，整体的良率也能达到80%以上，比目前大芯片不足30%的良率节省了许多成本。

降低对先进制程的需求。在芯片内部所包含的模块中，除了计算单元需要应用最先进的制程来达到良好的效果之外，其他模块如存储、模拟、射频等则不必须用最先进的制程。过往芯片的设计中，所有模块都用同一个工艺节点制造，不仅会造成大量的浪费，而且也不一定是最优解。

奇异摩尔副总裁祝俊东分享道，“比如存储模块在14纳米、模拟在65/90纳米节点会达到比先进工艺更好的性能”。

IP内部复用。如果按原来的设计模式，虽然购置的IP看似可以复用，但与其他模块的连接都需要重新设计，也需要重新再做测试，设计流程并没有因此简化。应用了Chiplet技术之后，芯粒在不同芯片之间可以重复使用，大大降低成本。

降低芯片设计和验证的时间、难度。当Chiplet达到成熟之后，通过对现有芯粒的叠加及少量验证，就可以快速设计出大量新产品

Chiplet是一场全产业链的互动，中国公司也在跟随潮流开始行动。

最为显著的是芯片IP公司。

芯片IP指芯片中预先设计、验证好的功能模块，可以在芯片设计过程中可被反复使用，业内有观点认为，Chiplet技术就是将不同的芯片IP进行组合。

对IP公司来说，做Chiplet顺理成章。在传统单片系统设计方式中，芯片设计公司从不同的IP供应商处购买IP，结合自研模块集成，而在Chiplet模式下只需要购买供应商生产好的Chiplet小芯片，将其封装形成系统芯片即可。

上海奎芯科技产品副总裁王晓阳曾对媒体表示：“打个形象的比喻，芯片设计公司如果需要做满汉全席，IP就可以看成是一道菜的菜谱，而Chiplet则可以看成是这道菜的预制菜，芯片设计公司仅需要简单加热即可上桌。”

面向芯片设计公司，奎芯科技既可以销售“菜谱”——IP，也可以销售“预制菜”——把IP做成Chiplet硬件化产品。

奎芯科技是做“高速互联IP”，也就是接口IP。过去，接口IP主要应用在芯片与芯片之间的互联。如今，这些公司也打算进入Chiplet领域，做芯粒之间的互联接口。

除了芯片IP公司，同在产业链上游的EDA公司也嗅到了机会。

对于EDA来说，由于单个芯粒的面积减小，EDA工具的设计难度也会相应减小，国内创业公司的机会因此增加。

另一方面，由于Chiplet在“拼”的环节对封装的需求增加，EDA和封装公司都需要在这个领域里有所精进。

封装对于Chiplet非常重要，在把芯粒“拼”起来的过程中，如何保证芯片的性能、降低延时、减少发热等变得至关重要。封装一直是中国的强项，排名前十的封装企业中有三家是中国大陆企业，其中，通富微电更是AMD最新Chiplet产品的封装供应商。

但是，Chiplet的核心是设计理念的变化，一位Chiplet领域的投资人告诉「甲子光年」，Chiplet需要“70%封装技术的进步，以及30%设计方法的改变”。

在所有芯片中，最适合做Chiplet的是“大芯片”，也就是CPU、GPU、DPU等，它们面积较大、结构复杂。CPU方面的可行性，已经被Intel和AMD的实践证明。

对中科驭数联合创始人兼CTO卢文岩来说，“Chiplet不仅仅是简单的芯粒拼盘，面积大、数据流分片容易、编程框架合适也很重要”，而DPU也是这样一种芯片。

目前阶段，DPU的主要功能是为CPU和整个计算加速，实现这一过程需要执行较多不同任务，所以DPU包含的模块也较为复杂，包括存储、网络、安全、应用加速、虚拟化、大数据分析等。

“我们两年前就开始Chiplet的设计探索，用分片和封装的方式，来解决单硅片设计大规模DPU芯片的良率难题，以及可扩展性问题”，卢文岩解释。

相对来说，GPU由于内部拥有较多相同的模块，所以分片设计更为困难。不过国内芯片公司也已经做出尝试，GPU公司壁仞科技8月发布的BR100采用了Chiplet技术，将自研的功能模块封装和复用，以达到降低成本、缩短设计周期的效果。更早时候，芯动科技的GPU也已经使用Chiplet来做封装。

其他AI芯片则更早做出Chiplet的尝试。华为海思在2014年，就将16纳米和28纳米的芯粒集成在一起，可以算是最早的Chiplet实践。今年，燧原与接口IP公司奎芯合作，探索符合UCIe标准的Chiplet架构芯片。

又如自动驾驶芯片，辉羲智能联合创始人、上海交通大学教授贺光辉告诉「甲子光年」，“随着自动驾驶的算法快速演进，算力需求不断攀升，汽车E/E架构从分布式向集中式发展，自动驾驶芯片追求高度集成化”，Chiplet可以为自动驾驶芯片带来更多经济性和灵活性。

在奎芯科技市场及战略副总裁唐睿看来，Chiplet的市场还不止这些。“虽然Chiplet的实践会从大芯片这种最有经济价值的领域开始，但未来一定会在其他领域继续发展，尤其是单价高、出货量中等且需求多样化的领域。”

比如汽车的智能座舱。这些芯片目前的定义还不明确，而随着智能驾驶等级的提升，智能座舱功能会逐步增加，并变得更加多样化。未来，根据用户多样化需求定制的芯片，将因为Chiplet技术而成为可能，这也可能成为车企的一个竞争点。

另一类会使用Chiplet来设计芯片的公司则是一些想要做芯片的客户方，例如车企、云厂商，通过Chiplet的技术将能更便捷地设计出芯片。

最后，在中国已经出现一些专门做Chiplet的公司，比如奇异摩尔、芯砺等。这些公司主要为芯片设计类企业提供通用底座芯粒、接口芯粒和连接协议，并帮助客户完成系统级的设计。

目前，Chiplet仍然处在发展的早期。祝俊东认为，Chiplet的发展将会经历三个阶段：封闭、半开放、全开放。

具体而言，在第一阶段“封闭”状态下，是企业内部的芯片模块复用，这时候企业常常只需要更新最重要的计算单元。比如AMD通过计算单元（CCD）和接口单元（IOD）组合，形成不同规格的服务器和个人电脑芯片，并且3代芯片的接口单元用了2代芯片的IO控制部分。

在第二阶段“半开放”的状态下，企业与企业之间会达成一定的合作，几家公司可以共同确定芯片的设计标准，或者遵循已有的Chiplet标准，例如UCIe。目前产业正进入第二阶段。

在第三阶段“全开放”的状态下，企业遵循Chiplet的行业标准来设计芯粒，让芯粒成为可以直接购买的市场化商品。这个时候，即使是一家新创业的公司，也能迅速找到一块完整芯片所需要的大部分芯粒，只需要设计其中的一两个关键部分即可。

有专业人士展望，芯粒完全商业化后，芯片的设计周期将从2~3年缩短到以月为单位。

从Intel、AMD、Apple等国际巨头的实践来看，Chiplet技术已经趋近成熟——芯片IP复用成功、性能提升、成本降低。

今年3月，英特尔、台积电、三星联合日月光、AMD、ARM、高通、谷歌、微软、Meta等十家行业巨头共同宣布，成立小芯片（Chiplet）联盟，并推出一个全新的通用芯片互联标准 ——UCIe，以此共同打造小芯片互联标准，推动开放生态建设。

为什么今年巨头依旧要建立UCIe联盟呢？

其一，即使巨头已经拥有完整的全线产品，在具体服务客户的过程中也依旧需要与其他产品适配。

其二，摩尔定律的失效让整个产业链向Chiplet发展成为必然，即使巨头不发起UCIe联盟，产业链也会主动展开合作。如果这时候巨头不把握主动权，专做芯粒的公司很有可能拆分芯片设计公司的业务，成为下一个台积电或ARM。

所以本质上，大公司发起成立UCIe是为了主导标准的建立，但这对于还处在发展阶段的公司来说，Chiplet和UCIe联盟的发展将带来新的机会。

以接口IP为例，由于复用性较强、毛利较高，创业公司前期研发投入很大，难以进入市场。过去这个领域一直被Synopsys、Cadence等国外公司垄断。

但由于UCIe标准是新建立的，创业公司得以和巨头们同台竞技。“对于一个新的标准来说，大家的机会相对均等一些，对创业公司也友好一点。”唐睿告诉「甲子光年」。

UCIe标准被提出后，希望与国产创业公司合作的客户方也会更加有信心。DPU公司中科驭数正在考虑和国内接口IP公司合作，卢文岩分享道，在尝试做Chiplet之后，他们考虑了很久要找什么样的公司接口IP公司合作。“我们既担心想用的芯片供应商不能提供，也担心提供的接口不符合我们的需求，更担心需求升级之后接口协议不支持，导致后续升级困难。”

对于许许多多这样的公司来说，选择已经加入并深度参与UCIe联盟的伙伴就会比较合适。

4月2日，芯原股份成为第一家加入UCIe的公司，随后的不久，奎芯、芯耀辉、牛芯、灿芯也表示已经加入UCIe联盟。

业内有消息称，中国也将成立一个类似UCIe的联盟。

大多数人对此不太惊讶。其实早在2020年，西安在曾经举办过一场“Chiplet产业联盟圆桌论坛”，大学教授和芯片企业共同探讨Chiplet未来在中国落地的可能性。

无论今年是否有中国的Chiplet联盟成立，Chiplet已经成为一个确定的发展方向，也是初创企业的成长机会。

许多业内人士指出，如果联盟的标准想要成为中国芯片行业的共识，就需要像UCIe一样，吸引所有芯片行业的领先企业，新制定的接口规范不应该违背UCIe标准。

在具体标准的制定和实践中，祝俊东认为，Chiplet从一开始就是需求驱动的，故而应该更多倾听芯片设计公司基于应用的需求，促进产业链上下游一起推动标准的迭代与完善。

对于未来Chiplet成熟的预期，在卢文岩看来，接口IP标准统一和封装技术更加成熟，以及各环节价格明显降低会是重要标志。而唐睿认为，需要关注的节点在于通过“A公司与B公司合作”设计完成芯片，尤其是“符合Chiplet标准”的芯片。

也许，Chiplet也很难让中国芯片“弯道超车”，但把握住这次历史性机会、加快国产芯片之间的开放合作，将有机会形成一个完全不同于海外巨头的芯片体系。

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