从设计到制造，Chiplet何以成为高性能芯片设计的首选

电子发烧友网报道（文/周凯扬）随着摩尔定律的失效或者说减弱已成定数，除了稳步发展半导体制造工艺外，半导体产业还涌现了不少继续提高性能的方法，比如Chiplet技术。该技术将复杂的SoC芯片设计分解成模块化的小芯片单元，再通过die-to-die（D2D）技术将其封装在一起。

如此一来设计更高效的重复利用成为现实，借助Chiplet设计芯片的厂商们不仅降低了成本，也极大加快了产品上市周期，更可以改善大型单片SoC的良率。当下Chiplet无论是从设计还是制造，以及标准化上都拥有了较为成熟的生态，从这些生态中我们也可以看出为何越来越多的SoC选择Chiplet设计。

EDA与IP

要说Chiplet生态除了造福下游一众初创半导体企业外，也带动了EDA与IP厂商的创新和发展，甚至说他们是直接受益人也不为过。从IP厂商来说的话，目前被Chiplet生态中利用最多的莫过于接口IP的Chiplet，比如新思等IP厂商的产品。同时，类似以太网等接口IP往往无需用到最先进的工艺，很适合用于节省芯片整体成本。

Designware多Die系统解决方案 / 新思

像Blue Cheetah这样的IP厂商，也推出了为Chiplet定制的D2D互联IP方案BlueLynx，支持到5nm、7nm、12nm和16nm的工艺节点，且不少Tier1和初创企业都将该方案用于其数据中心、网络和AI芯片中。

至于相关通用计算类IP在公开Chiplet化的进度上仍较为落后，毕竟这类IP往往是各大厂商最强竞争力的体现。拥有足够优秀IP的厂商往往会选择自研产品，而不是拿出来供市场公开重复利用。但RISC-V架构下的IP厂商倒是对此更加开放，而Arm也有心将其用于特定的应用中去，比如服务器CPU。

而EDA厂商目前对Chiplet生态的参与度也相当高，包括新思、Cadence这些本身就有IP业务的厂商在内，本身就有着全流程的EDA工具，自然也都早早参与到Chiplet生态的建设中来。与此同时，多个Chiplet设计的分层测试、诊断维护以及全面检测功能也属于EDA厂商的重心，毕竟这对于制造难易程度和长期系统可靠性来说至关重要。

而国产EDA厂商在Chiplet设计上的进度就有些慢了，目前绝大多数国产EDA厂商并没有提供Chiplet对应的方案，已知开始Chiplet相关技术研发的公司包括华大九天、合见工软等厂商，考虑到国内EDA厂商对这类先进封装方案的研究尚处于开始阶段，也需要更多的时间积累才有概率赶上国际大厂。

制造与封装

同样在半导体制造端，绝大多数厂商都已经开启了Chiplet的进程，出货量也在逐渐上升，对于他们来说对Chiplet的支持反而会给他们带来更多的订单。以台积电为例，Chiplet对于他们来说就是一个与3D堆叠技术完美结合的方案。

为此，台积电于去年在其OIP合作伙伴生态下，成立了新的3DFabric联盟，拉拢EDA/IP、DCA/VCA、内存、OAST、基板与测试厂商，一同推进Chiplet生态的发展。像AMD这样的厂商，早就和台积电合作打造了基于3D Chiplet技术的CPU和APU产品。

3DFabric联盟 / 台积电

除了3DFabric的3D堆叠和先进封装技术外，台积电还和EDA厂商合作打造了3Dblox这一标准，用于统一设计工具的工作流，让客户在台积电的平台上进行3D Chiplet IC设计时，拥有更高的灵活度和易用性。

与此同时，Chiplet为封装厂商创造了更多的机会，即便是初创企业也都有机会参与到最先进的半导体制造流程中来。今年年初，长电科技宣布其XDFOI Chiplet高密度多维异构集成系列工艺已经进入稳定量产阶段，且同步实现国际客户4nm节点的多芯片系统集成封装产品出货，最大可实现1500mm2的系统级封装面积。

据长电科技公布的数据，其XDFOI Chiplet技术可以实现50μm以内的中介层厚度，40μm的微凸点中心距，可以供客户在更小的单位面积内实现各种高密度工艺的集成，从而做到更小的封装尺寸。至于国际客户的4nm封装订单，则很有可能是来自某个高性能AI芯片。

再以周秀文、戴伟立夫妇二人和前长电科技执行副总裁韩丙濬2021年成立的Silicon Box为例。这家新加坡初创公司在近期宣布，他们耗资20亿美元在本地建立的先进半导体封装厂正式开放，主打解决Chiplet互联技术面临的挑战。

三大创始人的背景则足以证明了Chiplet的潜力，更何况周秀文早前就提出过Mochi这种模块化芯片架构的方案。且据CEO韩丙濬称，早在工厂尚未完工之前，客户就已经开始排队了。Silicon Box表示新封装厂的成立加上其专有的次5μm级互联技术，将帮助AI、数据中心和电动汽车等领域的客户实现更快的芯片上市周期，同时保证他们的IP安全性。

目前已知公开有合作意向的客户就包括了RISC-V AI芯片初创企业Tenstorrent，其两大高层Jim Keller和Raja Koduri都在近期参观了Silicon Box的新封装厂。从Tenstorrent的产品路线图来看，后续AI芯片中的Chiplet封装很可能会交由Silicon Box完成。

联盟与规范

当然了，作为力求席卷行业的一个技术，即便是不开源，也需要有一定的标准规范，比如上文中台积电联合EDA厂商推出的3Dblox。同时也需要行业个体和组织共同推动，比如UCIe联盟。UCIe联盟作为成立尚不足两年的Chiplet标准联盟，已经吸引了一大批巨头和初创企业的加入。

UCIe协议栈 / UCIe联盟

在第一版UCIe 1.0规范中，联盟定义了die-to-die I/O的物理层和协议，同时还有利用另外两大行业标准PCIe和CXL的软件栈模型。不过第一版仅仅只针对的是2D和2.5D的芯片封装，并没有对一些3D die-to-die 技术提供定义，毕竟这类3D封装技术还是仅限于部分先进制造厂商，且技术路线各有不同，但UCIe联盟仍在进行相关的努力。

不过即便是只有2D和2.5D封装，UCIe也展现出了可观的带宽性能，根据今年ISC2023上公布的数据，2D封装下的Chiplet可以实现4通道73GB/s的带宽，而2.5D封装下的Chiplet可以实现32通道630GB/s的带宽。这样的密度意味着其能效要远远大于标准的PCIe 5.0板载连接。

近日，UCIe联盟也终于发布了1.1版本的新规范，为Chiplet生态系统又带来了一些改进，尤其是针对汽车行业。比如预测性失效分析和健康度检测等，都是汽车这类高可靠性应用中的关键特性。同时，1.1版本还引入了新的凸点图降低了封装成本。相信随着UCIe规范的发展，以及越来越多的公司加入这一联盟，过去的共享IP池也能逐渐变为未来的共享Chiplet池。

写在最后

即便Chiplet技术对于整个行业来说，是又一次设计效率的蜕变，但我们也需要提防设计创新思维的僵化。未来基于第三方Chiplet打造的芯片会越来越多，却很有可能依然打着“完全自研”的旗号。Chiplet的存在无疑让设计公司对可靠IP的选择变得更加灵活，避免了重复造轮子的问题，即便如此，我们还是应该避免设计同质化的问题，这样对于市场多样性和创新发展来说，也能起到更大的推进作用。