中國首個(gè)原生Chiplet技術(shù)標準發(fā)布

這是中國首個(gè)原生Chiplet技術(shù)標準，對于中國集成電路產(chǎn)業(yè)延續“摩爾定律”，突破先進(jìn)制程工藝限制具有重要意義。

記者從12月16日舉辦的“第二屆中國互連技術(shù)與產(chǎn)業(yè)大會(huì )”上獲悉，首個(gè)由中國集成電路領(lǐng)域相關(guān)企業(yè)和專(zhuān)家共同主導制定的《小芯片接口總線(xiàn)技術(shù)要求》團體標準正式通過(guò)工信部中國電子工業(yè)標準化技術(shù)協(xié)會(huì )的審定并發(fā)布。據悉，這是中國首個(gè)原生Chiplet技術(shù)標準，對于中國集成電路產(chǎn)業(yè)延續“摩爾定律”，突破先進(jìn)制程工藝限制具有重要意義。此外，大會(huì )同步介紹了《微電子芯片光互連接口技術(shù)》標準，這也是世界上3大CPO（Co-Packaged Optics）標準之一。本屆大會(huì )由中國計算機互連技術(shù)聯(lián)盟（CCITA）、中國電子技術(shù)標準化研究院（CESI）、中國電子工業(yè)標準化技術(shù)協(xié)會(huì )(CESA)以及無(wú)錫市工信局、無(wú)錫市錫山區政府共同主辦。

Chiplet構建摩爾定律新機遇

Chiplet通常被翻譯為“芯粒”或“小芯片”，它是系統級芯片（SoC）集成發(fā)展到后摩爾時(shí)代后，持續提高集成度和芯片算力的重要途徑。通過(guò)芯粒技術(shù)或將可以彌補目前芯片制造方面先進(jìn)制程技術(shù)落后的缺陷，為國內半導體產(chǎn)業(yè)鏈帶來(lái)新機遇。小芯片技術(shù)是將滿(mǎn)足特定功能的裸片通過(guò)die-to-die 內部互連技術(shù)，實(shí)現具備更多功能或更高性能的芯片。在當前技術(shù)進(jìn)展下，Chiplet方案能夠實(shí)現芯片設計復雜度及設計成本的下降。Chiplet的運用也將大幅提高大型芯片良率，同時(shí)降低芯片制造成本。

近幾年，隨著(zhù) AMD、英特爾、臺積電、英偉達等國際芯片巨頭紛紛入局Chiplet，加入進(jìn)來(lái)的企業(yè)越來(lái)越多，設計樣本也越來(lái)越多，開(kāi)發(fā)成本下降，加速了Chiplet技術(shù)生態(tài)的發(fā)展。據Omdia報告，到2024年，Chiplet的市場(chǎng)規模將達到58億美元，2035年超過(guò)570億美元，Chiplet的全球市場(chǎng)規模將迎來(lái)快速增長(cháng)。

近年來(lái)，隨著(zhù)集成電路先進(jìn)制程工藝的突破，芯片制程工藝逐漸升級。以先進(jìn)工藝節點(diǎn)處于主流應用時(shí)期的設計成本為例，工藝節點(diǎn)為28nm時(shí)，單顆芯片設計成本約為0.41億美元，而工藝節點(diǎn)為7nm時(shí)，設計成本快速提升至2.22億美元。即使先進(jìn)制程工藝設計成本大幅下降，相較同一應用時(shí)期的上一代先進(jìn)工藝節點(diǎn)仍存在顯著(zhù)增加。此外，設計復雜度的提升也將對芯片良率產(chǎn)生影響，間接提高了整體制造成本。而Chiplet方案將大芯片分為多個(gè)小芯片，單位面積較小，相對而言良率會(huì )有所提升，從而能夠有效降低制造成本。

Chiplet技術(shù)重塑半導體產(chǎn)業(yè)鏈

傳統由一家芯片設計公司主導的集成電路設計流程，將在chiplet技術(shù)的影響下重構為由多個(gè)芯片設計公司首先設計小芯片，最終通過(guò)先進(jìn)封裝技術(shù)和相關(guān)的EDA技術(shù)，變成一顆大芯片的設計流程，因此最終將引起集成電路設計行業(yè)的變革。相比SoC封裝，Chiplet架構芯片的制作需要多個(gè)小芯片，單個(gè)小芯片的失效會(huì )導致整個(gè)芯片的失效，這要求封測公司進(jìn)行更多數量的測試以減少失效芯片帶來(lái)的損失。而且，Chiplet技術(shù)本身就是一種封裝理念，對于封裝產(chǎn)業(yè)的推動(dòng)不言而喻。

在集成電路設計和制造環(huán)節，我國和世界頂尖水平差距較大，特別是在制造領(lǐng)域最為薄弱，而封測環(huán)節是我國集成電路最強的環(huán)節。近年來(lái)，國內封測龍頭企業(yè)通過(guò)自主研發(fā)和并購重組，在先進(jìn)封裝領(lǐng)域正逐漸縮小同國際先進(jìn)企業(yè)的技術(shù)差距。我國封測企業(yè)在集成電路國際市場(chǎng)分工中已有了較強的市場(chǎng)競爭力。根據ittbank數據，2021年全球營(yíng)收前十大封測廠(chǎng)商排名中，有三家企業(yè)位于中國大陸，分別為長(cháng)電科技、通富微電和華天科技。

長(cháng)電科技總部副總裁、中國區研發(fā)總經(jīng)理林耀劍在第二屆中國互連技術(shù)與產(chǎn)業(yè)大會(huì )的主題報告中指出，由于受限于高端設備和材料的能力，以Chiplet方式解決邏輯芯片與存儲芯片的封裝集成工藝越來(lái)越重要。長(cháng)電科技早期的2.5D和扇出型技術(shù)積累和研發(fā)量產(chǎn)經(jīng)驗，結合國內10多年的完整fcBGA技術(shù)和量產(chǎn)經(jīng)驗，對于后續的深入創(chuàng )新開(kāi)發(fā)和客戶(hù)的合作開(kāi)發(fā)有極大幫助。

Chiplet技術(shù)為什么需要標準

產(chǎn)業(yè)發(fā)展，標準先行。Chiplet作為一種互連技術(shù)，更加依賴(lài)于標準的制訂，而國內Chiplet互連技術(shù)標準化的欠缺則成為Chiplet廣泛應用的最大障礙。

據了解，基于Chiplet架構進(jìn)行芯片設計到目前為止，國際上尚無(wú)統一標準，由于該技術(shù)的門(mén)檻較高，如果自己全部完成設計，需要芯片廠(chǎng)商從芯片整體的架構設計、到其中并行或者串行物理層接口、甚至先進(jìn)封裝能力全部具備，目前唯一具備這些能力的廠(chǎng)商是intel公司；在我國，目前具備這種整體能力的芯片廠(chǎng)商極少，大多數芯片廠(chǎng)商還是依賴(lài)芯片IP廠(chǎng)商提供并行物理層或者串行物理層IP，臺積電提供先進(jìn)封裝能力（如CoWos等封裝技術(shù)），因此首先需要形成完整的、面向Chiplet架構設計芯片的社會(huì )分工，但在這方面目前我國的情況還不太理想，如目前只有2-3家IP廠(chǎng)商可以為系統芯片廠(chǎng)商提供高速串行物理層IP，而串行物理層IP在某些場(chǎng)景如C2C（計算die-計算die互連）存在延時(shí)較大的弊端，至于高帶寬密度的并行物理層IP則能夠提供的廠(chǎng)商更少，在基于并行物理層設計Chiplet架構的芯片時(shí)，由于在極其狹小空間中高速信號的數目太多，因此信號完整性問(wèn)題引起的挑戰更大；另外一方面，基于Chiplet架構的芯片強烈依賴(lài)于先進(jìn)封裝技術(shù)，但我國在先進(jìn)封裝技術(shù)方面如高密度的基板/interposer設計、大尺寸的基板材料、小尺寸bump方面都還比較薄弱，因此短期看，設計Chiplet架構的芯片可能還是需要依賴(lài)國外廠(chǎng)商的先進(jìn)封裝技術(shù)，但從長(cháng)遠發(fā)展看有必要提前展開(kāi)相應的研究工作，面向Chiplet應用場(chǎng)景，研究和開(kāi)發(fā)高性能的串行/并行物理層技術(shù)以及相應的先進(jìn)封裝技術(shù)。

在形成圍繞Chiplet設計的廣泛設計分工基礎之上，形成Chiplet標準則更加重要，由于我國絕大多數芯片廠(chǎng)商并不能自行完成基于Chiplet架構的芯片設計和制造閉環(huán)，在形成廣泛的設計分工之后，就必須有一個(gè)標準，以規定設計分工中的各種部件如各種不同的功能die的規格和各種接口通信約束條件，在每一個(gè)設計鏈條節點(diǎn)上推動(dòng)形成多家技術(shù)供應商，形成良性競爭，把整個(gè)市場(chǎng)做大，使SOC系統廠(chǎng)商有充分的選擇空間，避免形成商業(yè)壟斷，最終阻礙Chiplet技術(shù)和生態(tài)的發(fā)展壯大。

據中國計算機互連技術(shù)聯(lián)盟CCITA秘書(shū)長(cháng)郝沁汾介紹，早在2020年8月，中科院計算所牽頭成立了中國計算機互連技術(shù)聯(lián)盟（CCITA），重點(diǎn)圍繞Chiplet小芯片和微電子芯片光I/O成立了2個(gè)標準工作組，并于2021年6月在工信部中國電子工業(yè)標準化技術(shù)協(xié)會(huì )立項了2項團體標準。小芯片接口標準制定，目前集結了國內產(chǎn)業(yè)鏈上下游六十多家單位共同參與研究。

中國電子技術(shù)標準化研究院負責人表示，小芯片技術(shù)標準體系的建立，有助于行業(yè)的規范化、標準化發(fā)展，為賦能集成電路產(chǎn)業(yè)打破先進(jìn)制程限制因素，提升中國集成電路產(chǎn)業(yè)綜合競爭力，加速產(chǎn)業(yè)進(jìn)程發(fā)展提供指導和支持。

Chiplet國內外標準生態(tài)共建

隨著(zhù)Chiplet技術(shù)的逐步發(fā)展，來(lái)自不同廠(chǎng)商的芯粒之間的互連需求持續提升。在2021年6月，由中國計算機互連技術(shù)聯(lián)盟(CCITA)牽頭，聯(lián)合國內數十家家企業(yè)和科研院所，在工信部中國電子工業(yè)標準化技術(shù)協(xié)會(huì )立項了《小芯片接口總線(xiàn)技術(shù)》《微電子芯片光互連接口技術(shù)》兩項團體標準。2022年12月，這兩項標準在第二屆中國互連技術(shù)與產(chǎn)業(yè)大會(huì )上正式對外發(fā)布，進(jìn)一步跟蹤前沿IT互連技術(shù)，結合我國技術(shù)發(fā)展和應用現狀，制定和應用計算機系統芯片內、芯片間、系統間互連技術(shù)的協(xié)議規范和標準?！缎⌒酒涌诳偩€(xiàn)技術(shù)要求》 這項標準描述了CPU、GPU、人工智能芯片、網(wǎng)絡(luò )處理器和網(wǎng)絡(luò )交換芯片等應用場(chǎng)景的小芯片接口總線(xiàn)（Chiplet）技術(shù)要求，包括總體概述、接口要求、鏈路層、適配層、物理層和封裝要求等，以靈活應對不同的應用場(chǎng)景、適配不同能力的技術(shù)供應商，通過(guò)對鏈路層、適配層、物理層的詳細定義，實(shí)現在小芯片之間的互連互通，并兼顧了PCIe等現有協(xié)議的支持，列出了對封裝方式的要求。小芯片設計不但可以使用國際先進(jìn)封裝方式，比如CoWoS，也可以充分利用國內封裝技術(shù)積累，實(shí)現一種或者幾種成本低廉、重點(diǎn)針對 Chiplet芯片架構、可以覆蓋 80%以上應用場(chǎng)景的先進(jìn)封裝手段。

與此同時(shí)，2022年3月份由Intel、AMD、ARM、高通、三星、臺積電、日月光、Google Cloud、Meta 和微軟等公司聯(lián)合發(fā)起成立了UCIe，即Universal Chiplet Interconnect Express，其主要目的是統一Chiplet（芯粒）之間的互連接口標準。UCIe，通用芯粒高速互連標準，能夠通過(guò)高帶寬、低延遲的互連協(xié)議，提供芯片之間的高效互連和無(wú)縫互操作，以滿(mǎn)足云、網(wǎng)、邊、端等各類(lèi)設備對算力、存儲和異構互連不斷增長(cháng)的需求。同時(shí)，UCIe在對芯片功耗和成本進(jìn)行充分優(yōu)化的基礎上，還提供了多種的封裝技術(shù)。

無(wú)論是國內主導建立的CCTIA，還是國外廠(chǎng)商牽頭發(fā)起的UCIe，其目的都是打造更全面、更開(kāi)放的Chiplet生態(tài)系統。中國計算機互連技術(shù)聯(lián)盟（CCITA）秘書(shū)長(cháng)，中國小芯片標準的主要發(fā)起人和起草人郝沁汾，在談到中國發(fā)布的小芯片相關(guān)技術(shù)標準時(shí)指出：中國的小芯片標準是開(kāi)放的，從標準的協(xié)議到參考實(shí)現都是開(kāi)放的，實(shí)現參考設計所需的技術(shù)細節，我們都可以在標準協(xié)議中找得到。我們將圍繞這樣一套原生的技術(shù)標準，進(jìn)一步完善標準內容，開(kāi)發(fā)相應的參考設計，并孵化相應的企業(yè)，以推動(dòng)我國集成電路行業(yè)圍繞Chiplet技術(shù)形成更加廣泛的社會(huì )分工。同時(shí)CCITA已經(jīng)在考慮和Intel UCIe在物理層上兼容，以降低IP廠(chǎng)商支持多種chiplet標準的成本。

(圖為：中科院計算所研究員/博導，國科大教授，中科院計算所互連技術(shù)實(shí)驗室主任，2022年國家重點(diǎn)研發(fā)計劃首席科學(xué)家，中國計算機互連技術(shù)聯(lián)盟（CCITA）秘書(shū)長(cháng)，無(wú)錫芯光互連技術(shù)研究院院長(cháng)、無(wú)錫芯光集成電路互連技術(shù)產(chǎn)業(yè)服務(wù)中心主任郝沁汾)

CCITA落地無(wú)錫推動(dòng)Chiplet技術(shù)開(kāi)發(fā)與應用

隨著(zhù)Chiplet小芯片技術(shù)的發(fā)展以及國產(chǎn)化替代進(jìn)程的加速，在先進(jìn)制程受到國外限制情況下，Chiplet為國產(chǎn)替代開(kāi)辟了新思路，也將極大程度地推動(dòng)我國集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。無(wú)錫，作為中國集成電路制造和封測產(chǎn)業(yè)的一線(xiàn)城市，2021年無(wú)錫集成電路產(chǎn)業(yè)營(yíng)收超1700億元，同比增幅27%，5年年均增速達到17.5%，產(chǎn)業(yè)規模僅次于上海，位居全國第二、江蘇第一。

2022年1月，作為小芯片技術(shù)標準的牽頭與發(fā)起單位，中國計算機互連技術(shù)聯(lián)盟CCITA凝聚國內80余家聯(lián)盟會(huì )員單位資源，在無(wú)錫市政府和CCITA的共同努力下，無(wú)錫芯光集成電路互連技術(shù)產(chǎn)業(yè)服務(wù)中心正式揭牌，并作為CCITA唯一官方運營(yíng)單位落地無(wú)錫，同時(shí)成立了無(wú)錫芯光互連技術(shù)研究院以推動(dòng)圍繞標準展開(kāi)后摩爾時(shí)代的技術(shù)與產(chǎn)業(yè)推動(dòng)，這對無(wú)錫乃至全國集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有里程碑意義。

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