Chiplet，半导体的下一个前沿？

本文由半导体产业纵横（ID：ICVIEWS）编译自semiconductor-digest

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芯片技术正以其创新的模块化设计方法改变电子行业。

半导体芯片是技术驱动世界的支柱，为从智能手机到支持云计算的服务器等一切设备提供动力。现代设备的一个明显趋势是可用于专门任务的空间越来越小，要求这些设备在有限的物理限制内有效处理多个工作负载。半导体行业正在经历重大转型。随着我们不断突破计算能力、能源效率和成本效益的界限，传统的单片芯片设计面临着越来越多的挑战。进入基于芯片的架构——一种有望彻底改变半导体服务和半导体解决方案的创新解决方案。

小芯片技术以模块化芯片为核心，这些芯片可以组合在一起形成集成片上系统 (SoC)。这些芯片专为基于芯片组的架构而设计，多个芯片组协同工作以创建统一电路。在探索芯片组技术时，我们将研究其重要性、与 SoC 的联系以及最新趋势。

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Chiplet 技术的基本优势

来源：Cadence

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什么是基于 Chiplet 的架构？芯片架构是一种模块化芯片设计方法，其中多个较小的硅“芯片”互连以形成一个完整的系统。与所有组件都集成到单个芯片上的传统单片芯片不同，芯片允许独立开发和集成专门的功能。这些芯片使用高带宽互连连接，从而实现高效通信和性能优化。

随着半导体行业努力突破摩尔定律的物理和经济限制，这种方法越来越受到青睐。通过启用更小、可重复使用的组件，芯片组架构为新半导体解决方案提供了灵活性、可扩展性和更快的上市时间。

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Chiplet 架构背后的驱动力

推动基于小芯片架构的采用的几个关键因素：

1. 传统设计的复杂性。随着对更强大处理器的需求不断增长，单片设计变得越来越复杂且昂贵。大型芯片的制造缺陷可能导致重大损失。小芯片架构通过更换有缺陷的组件而无需丢弃整个系统来降低这些风险。

2. 成本效益。先进节点制造的成本飞涨。使用成熟工艺节点构建的芯片可降低成本，同时利用尖端半导体解决方案实现高性能组件。这种混合方法更经济、更可持续。

3. 性能优化。小芯片可实现异构集成，其中不同类型的硅片（例如 CPU、GPU 和加速器）可以组合在一起以获得最佳性能。这种模块化可为从数据中心到边缘计算的特定应用提供量身定制的半导体服务。

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Chiplet 架构的优势

采用chiplet架构可带来诸多优势：

1. 灵活性和可扩展性。芯片组使升级或修改设计变得更加容易。制造商无需重新设计系统即可更换或升级单个芯片组。这种模块化促进了创新和适应性。

2. 提高成品率。通过将功能拆分到更小的芯片中，制造商可以降低生产中出现缺陷的可能性。这样可以提高成品率、降低成本并提高可靠性。

3. 定制化满足特定需求。Chiplet 可针对人工智能、汽车和电信行业量身定制半导体解决方案。这种定制可提高性能并满足细分市场的精确需求。

4. 加速上市时间。可重用性和小芯片的并行开发缩短了设计周期，使企业能够更快地将创新产品推向市场。

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先进半导体服务的作用

半导体服务在成功实现 Chiplet 架构中发挥着关键作用。这些服务涵盖设计、测试和封装解决方案，确保无缝集成和性能优化。

设计服务。先进的设计工具和方法对于在更广泛的系统中创建协调的芯片至关重要。设计服务还可以解决电源管理和散热等挑战。

测试和验证单独测试芯片组和作为系统的一部分测试芯片组对于确保可靠性和性能至关重要。半导体服务利用尖端测试协议在生产周期的早期识别和纠正问题。

封装解决方案封装是芯片架构的关键推动因素。2.5D 和 3D 堆叠等先进封装技术对于实现芯片之间的高带宽、低延迟互连至关重要。提供半导体解决方案的公司已经开发出先进的封装方法来满足这些需求。

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市场采用和行业领导者

AMD、英特尔和台积电等领先的半导体公司正在引领芯片架构的采用。AMD 的 EPYC 处理器和英特尔的 Foveros 技术展示了这种方法的潜力。

统计数据凸显增长

根据 Yole Développement 2023 年的报告，包括小芯片在内的先进封装市场预计将在 2023 年至 2028 年期间以 8% 的复合年增长率增长。

Gartner 预测，到 2025 年，30% 的所有先进节点处理器将使用基于小芯片的架构。

这些数字凸显了投资以小芯片为中心的半导体服务和解决方案的公司所面临的巨大商机。

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挑战与未来方向

虽然小芯片架构具有众多优势，但也带来了挑战：

互连标准缺乏标准化互连协议会阻碍不同制造商的芯片之间的互操作性。通用芯片互连标准 (UCIe) 等计划可解决此问题。

设计复杂性小芯片的模块化特性要求复杂的设计和集成策略。半导体服务提供商和芯片设计师之间的合作对于克服这些障碍至关重要。

热管理确保密集封装的芯片系统有效散热是关键问题。材料和封装方面的创新有助于解决这一挑战。

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企业为何应该关注

对于企业而言，小芯片架构不仅代表着一项技术创新，更是一条通往新机遇和竞争优势的途径。通过采用基于小芯片的半导体解决方案，企业可以：

• 降低成本同时保持性能。

• 通过模块化设计加速创新。

• 为人工智能、物联网和自动驾驶汽车等新兴市场定制产品。

此外，与半导体服务提供商合作可确保企业能够利用设计、测试和封装方面的专业知识，有效地将尖端产品推向市场。

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结论

芯片技术正以其创新的模块化设计方法改变电子行业。这一概念的核心是使用紧凑的独立单元，称为“芯片”，每个单元都针对不同的功能进行了优化。通过将这些芯片组装成一个有凝聚力的系统，制造商可以构建灵活的定制解决方案来满足特定需求。这一进步将通过简化生产工作流程和促进高度专业化、高效设备的开发来重塑电子元件设计和制造。

基于小芯片的架构正在重塑半导体格局。它通过解决传统单片设计的局限性，提供了一种可扩展、经济高效且高性能的替代方案。随着半导体服务和解决方案不断发展以支持这种范式转变，企业将通过采用这种变革性技术获得巨大收益。

半导体的下一个前沿已经到来，它模块化、功能强大且潜力无限。现在正是企业探索小芯片架构可能性并为创新和适应性定义的未来做好准备的时候。