Chiplet概念大爆发，有公司股价连续八个涨停

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　　当造芯变成拼乐高。

　　文｜郑灿城  编辑｜彭孝秋

　　来源：36氪

　　股价从9元涨到20元，仅用一周多时间。这就是Chiplet概念的魅力。

（大港股份8连涨停，数据来源：东方财富）

　　但该公司（大港股份，002077.SZ）却在回函深交所时表示，自己未涉及Chiplet相关业务。

（大港股份回函节选，资料来源：东方财富）

　　作为新的市场主线，Chiplet也为半导体指数大涨贡献了新动力。整个指数从8月1日至8月8日，涨幅超过17%。IP授权也是受益Chiplet的细分板块，头部企业芯原股份（688521.SH）也随之从44元涨到72元，涨幅达63%。

（半导体指数（801081.SWI）走势图，数据来源：东方财富）

　　何为Chiplet？这个概念最早由美满电子Marvell（MRVL.O）创始人于2015年提出，但却在近期签署的《2022年芯片与科学法案》被提及。即美国总统科学技术顾问委员会（PCAST）开始“倡议建立Chiplet平台”。

（法案内容节选，图源网络）

　　后摩尔时代的钥匙

　　Chiplet翻译过来就是“芯粒”，其核心思路为乐高的模块化——将数个小芯片通过封装技术拼装成大芯片，以实现性能的提升和成本的降低。

　　在认识Chiplet之前，我们先要熟悉半导体行业的几个概念。一个是集成电路发展一直遵循的一条路线——摩尔定律。“每经过18-24个月，芯片内晶体管的数量就会增加一倍”。这个定律提出者为英特尔创始人戈登·摩尔（Gorden Moore），1965年时他还在仙童半导体公司任职。

　　另一个是晶体管，作为芯片主要组成部分，晶体管的数量直接影响芯片性能。因此，自芯片被发明以来，科学家们就想尽办法在一定面积里塞下更多的晶体管。简单来说，如下图绿色部分，宽度越小，单位面积内能塞下的晶体管数量就越多，芯片的性能也就越高。

（示意图，图源网络）

　　这个宽度又叫制程，或是技术节点。经过晶圆厂对技术节点的不断突破，时至今日，虽然头部芯片制造厂商台积电和三星的战场已经来到了3nm，但相邻技术节点突破的时间间隔越来越长，即摩尔定律放缓。

　　（晶体管数量走势图，资料来源：Wikipedia、民生证券研究院）

　　除此之外，这个突破过程中，每一个制程的研发到量产都需要花费巨额的资本投入，节点的突破也就和资本的投入不成正比。36氪了解到，5nm制程的研发投入，差不多是7nm和10nm投入总和。这就导致晶圆厂们在竞相突破新节点的路上，有些玩家会选择中途放弃。比如，联华电子（UMC.N）在2018年8月宣布放弃12nm以下的先进工艺研发；时隔不久，格罗方德宣布放弃7nm的研发。

　　然而，下游应用非但没有放缓对芯片性能的追求，还对芯片的“占地面积”提出了更高要求。比如TWS耳机、AR和VR等设备体积很小，因此只能将若干个芯片的性能都集中到一块SoC（System on Chip，片上系统）芯片上。

注：右图Mochi为Chiplet最初提出时的名字

　　Chiplet就是利用了“高度”这个维度，先将原本在一个平面上的芯片拆分开来，再像积木一样拼装成块。这样不但能够节省占地面积，使得每个小芯片有更大的空间，还能够带来更高的经济效益。

　　首先，Chiplet可以单独流片（试生产），降低流片失败的风险。随着技术节点的不断提升，单颗芯片集成的IP（大芯片的功能模块）会越来越多。根据IBS数据，7nm、5nm工艺集成的IP数量分别为178、218个。在流片时，任意一个IP出错都会导致流片失败，对芯片设计公司现金流造成一定的冲击。比如7nm工艺芯片一次流片需要3000万元成本，5nm则在4700万以上。

　　其次，Chiplet能够提升制造的良率。“芯片是沙子做的，但芯片却容不得‘一粒沙子’”，一位业内人士向36氪表示。事实上，芯片是在高度无尘的环境下生产的，其对环境的洁净度要求比手术室还要高。这是因为只要一粒灰尘落到芯片上就可能会导致芯片失效。

　　灰尘的落下往往又具有随机性，完全不可预测。换句话说，芯片越大，沾染灰尘的可能性就越大，整体的良率就越低。国盛证券数据显示，当芯片整体面积在10mm X 10mm时，良率达94.2%；但如果面积增加至原来的16倍，也就是40mm X 40mm时，良率仅35.7%。

注：图中die表示裸片，即芯片封装前的状态

　　最后，Chiplet能够提升可靠性。由于芯片制造端的限制，一枚芯片只能采用同一个技术节点。对集成了多个功能的SoC芯片来说，更高的技术节点反而会降低可靠性。比如模拟电路相关的IP就适合使用更成熟的工艺，更低的技术节点。追求过小的线宽可能会出现漏电、噪音等问题。

　　上述优势让Chiplet相较于继续突破先进制程更具性价比。咨询公司The Linley Group测算，在7nm工艺下，Chiplet相较于传统的单芯片方案节省成本近13%。

　　另外需要说明的是，Chiplet并不是在每一项花费上都优于传统的解决方案，在测试和封装环节，将一个大的芯片分成若干的小芯片反而增加了工作难度和工作量。根据Group测算，在7nm制程这两个环节就分别需要多2%、25%的成本。

　　剩下的，交给封装

　　虽然Chiplet技术还未成熟，但一些金字塔尖的玩家已经开始了早期探索。比如苹果发布的M1 Ultra芯片，就是在M1 Max的基础上，采用苹果的桥接技术，将两颗5nm工艺的M1 Max芯片连在一起。

（苹果M1 Max & M1 Ultra，图源网络）

　　近日，壁仞发布的GPU芯片BR100、BR104也是采用了上述方案。壁仞科技联合创始人兼CTO洪洲在发布会上表示，“壁仞科技此次发布的BR104为单die（裸片）产品，而BR100则是采用了Chiplet技术的双die产品。一次流片，形成两款产品，各有优势与侧重点，覆盖更广泛的应用市场。”

（BR100采用Chiplet技术，图源网络）

　　值得注意的是，壁仞科技产品与苹果产品是采用了不同的封装技术将两枚芯片“拼接”在一起。除此之外，AMD、Intel等国际知名芯片公司也都开始布局Chiplet，但还只是局限于自家的产品，不同芯片公司出厂的芯片无法兼容。

　　类似手机充电口和充电线之间的关系，即使现在有了type-C，充电设备之间兼容性还有提升的空间。何况在type-C面世之前，充电口更是五花八门。组成一个芯片系统的小芯片在现在也有很多的接口标准，比如有AMD、ARM等公司所在的Gen Z联盟；Intel、思科等公司所在的CXL联盟等等。

　　而现在，类似type-C地位的芯片标准统一已经在进行中。2022年Q1，半导体行业头部公司组成了Chiplet标准联盟——UCle（Universal Chiplet Interconnect Express，通用芯粒互联）就定义了Chiplet的连接标准，目的是组建芯片互连生态。有了这个生态，一些成熟的IP在单独流片之后，可以由芯片设计公司外采，降低芯片设计的成本，缩减研发时间。

　　事实上，除接口标准外，Chiplet还有三大需要解决的问题。

　　其一，Chiplet在同样的晶体管密度下，发热量更高。这是因为芯片和芯片之间的互联互通始终不如晶体管相连来得直接。虽然在同等面积下塞了更多的晶体管，但功耗成了下一个需要平衡的问题；其二，目前还未推出相关的EDA软件；

　　其三，Chiplet并不是简单的拼乐高。芯片和芯片的相连，需要将两颗裸片钻孔，再通过精密的电镀手法将电路引出相连。比如钻孔环节，晶圆厚度仅100微米左右（1米=10^6微米），在这样的厚度下钻孔需要微米级的精度控制，控制得不好晶圆就会被钻穿。

　　即使面临诸多的挑战，Chiplet仍然是后摩尔时代芯片发展的趋势所向。