隨著半導體工藝制程逼近物理極限，短溝道效應以及量子隧穿效應帶來的發熱、漏電等問題愈發嚴重，Chiplet（芯粒）技術走入大眾的視野，成為后摩爾時代下實現電路系統算力和帶寬提升、降低成本的有效解決方案之一。作為近年來興起的新一代集成電路技術，Chiplet技術允許將不同的模塊采用不同的制程技術分開制造，極大地降低成本和能源消耗、提高產品良率。接下來小編將為大家介紹Chiplet技術的相關內容。

Chiplet技術封裝體剖面結構示意圖（圖源：文獻1）

關于Chiplet

Chiplet（芯粒）技術是一種將多個小型芯片集成為一個完整系統芯片的技術。它將芯片功能分割成多個獨立的模塊，每個模塊都具有特定的功能，如處理器核心、存儲器控制器或其他外圍設備。每個模塊都可以單獨設計、測試、生產并在封裝過程中組合在一起，形成一個完整的芯片。與傳統的單芯片方案相比，Chiplet方案的設計良率更高、成本更低。研究結果表明，當芯片面積小于10mm²時，單芯片和Chiplet方案的良率差別很小，但當芯片面積超過200mm²，單芯片方案的良率將明顯低于Chiplet方案，降低幅度可達20%以上。由于Chiplet是將不同工藝下的芯片封裝連接起來，這種彈性的設計方式可以有效提升芯片封裝的靈活性，提高了先進工藝的利用效率，降低了成本。

Chiplet技術、SoC和分立器件的優缺點對比（圖源：文獻2）

工作原理及關鍵特征

Chiplet技術是將多個Chiplet在共享基礎上組合和互連，包含CPU、GPU記憶體、硬體加速器等。每個Chiplet可選用合適的制程技術和設計，實現單一系統中多樣制程和設計。這些Chiplet可分別用于不同制程技術，經高速互連物理連接，構成功能完整的大型集成系統，以下為Chiplet技術關鍵特征。

（1）模塊化設計：在Chiplet架構中，整個芯片系統被劃分為多個獨立，但協同工作的模塊，每個模塊被稱為一個Chiplet。這些Chiplet可以是處理器核心、緩存、內存、I/O接口等不同功能的模塊。

（2）獨立生產：在Chiplet芯片架構下,負責不同功能的芯粒不再需要迭代至統一的工藝制程,每個Chiplet可以根據其功能和性能要求，在最適合的制程技術上進行獨立生產。這意味著不需要將整個大型芯片在單一的制程上生產，可以將最佳節點實現的不同芯粒進行混合集成,可以對芯片的不同IP單元進行選擇性迭代,迭代的部分die還能用于制作下一代產品，從而有效降低生產的復雜性和生產成本。例如,可以將傳統的電子芯片與光電子器件集成在同一芯片上,實現光電混合芯片。這種光電混合芯片結合了電子和光子的優勢,可以在高速數據傳輸、光通信、光計算等領域發揮重要作用。

*die：從晶圓上切割下來的單個集成電路芯片，包含晶體管、電阻、電容等電子元件以及復雜的電路設計。

（3）靈活組合：由于每個小芯片可以獨立設計和制造，因此可以根據需要調整小芯片的組合方式，從而適應不同的應用場景和需求。同時，Chiplet技術可以實現芯片的動態擴展，根據需要增加或減少小芯片的數量，從而提高芯片的靈活性，以實現特定的系統性能和功能要求。

（4）優化生產良率：伴隨高端芯片性能的快速提升,集成電路單芯片中的晶體管數量也在快速增加,導致芯片面積不斷變大。對于晶圓制造工藝而言,芯片面積越大,工藝的良率越低。而Chiplet技術通過將大芯片拆解、分割成幾顆小芯粒,使得失效點落在單個小芯粒上的概率大大降低，由此集成的大芯片可以實現制造面積的突破和良率的提升。如果一個Chiplet出現缺陷，只需替換這個有缺陷的Chiplet，而不是整個大型芯片，制造成本因此可以大幅降低。

良率與晶圓面積的關系（圖源：文獻3）

（5）高速互連技術：Chiplet之間通過高速、低延遲的互連技術連接在一起。這些互連技術允許Chiplets之間高效、緊密地通信。其中，UCle是一個分層協議，物理層負責電信號、時鐘、鏈路等，Die-to-Die適配器管理芯粒鏈路狀態和參數。

UCle分層方法和不同的封裝選擇（圖源：文獻2）

（6）快速迭代和升級，提高芯片設計效率：Chiplet架構使設計更易迭代和升級。由于每個小芯片可以獨立設計和制造，因此可以并行進行多個小芯片的設計和制造，從而縮短設計周期。通過替換、添加Chiplet，即可形成一個新的AI芯片系統，無需重新設計整個芯片系統，從而減少設計工作量。使芯片設計更模塊化、具有更高的靈活性、降低了生產成本、復雜性，促使更有效地利用不同的制程技術，顯著縮短芯片的上市時間。

Chiplet技術應用

1、人工智能

Chiplet技術可以應用于人工智能領域，提高AI芯片的性能和效率。Chiplet技術可以將不同類型的AI加速器（如神經網絡處理器、張量處理器、視覺處理器等）通過高速、低功耗的互連方式進行集成，實現高效的AI計算。這種模塊化設計不僅提高了AI芯片的性能，還優化了功耗效率。此外，Chiplet技術也促進了AI芯片的快速更新和升級，使其能夠跟上不斷發展的人工智能算法和應用需求。通過提高性能和效率，Chiplet技術為人工智能領域

的創新和發展提供了強大的支持。例如，谷歌的TPU v4就采用了Chiplet技術，將多個TPU芯片通過2.5D封裝技術集成在一起，提供了高達1.1PFLOPS的算力。未來，Chiplet技術有望實現更高的AI算力和更低的功耗，支持更多的AI應用場景，如自然語言處理、計算機視覺、機器學習等。

2、高性能計算

Chiplet技術可以應用于高性能計算領域，提升超級計算機的性能和可擴展性。通過將芯片模塊化設計，超級計算機能夠集成不同類型的處理單元、內存單元和加速器，實現異構計算和大規模集成。這種靈活性使得計算系統能夠根據需求定制配置，提高內存帶寬和容量，并簡化維護和升級過程。Chiplet技術為高性能計算提供了更大的靈活性、可擴展性和定制化配置，推動了超級計算技術的不斷進步。例如，英特爾的Sapphire Rapids處理器就采用了Chiplet技術，將多個計算芯片和HBM內存芯片通過2.5D封裝技術集成在一起，提供了高性能和高帶寬的計算平臺。未來，Chiplet技術有望實現更高的計算性能和更低的計算成本，支持更多的高性能計算應用，如大數據分析、科學模擬、量子計算等。

3、邊緣計算

Chiplet技術可以應用于邊緣計算領域，提高邊緣設備的性能和功耗比。Chiplet技術可以將不同功能、不同功耗的芯片進行集成，這種靈活性允許邊緣設備根據具體任務選擇性使用高性能或低功耗的Chiplet，實現更好的功耗管理。同時，Chiplet技術的應用使得邊緣設備更加適應多樣化工作負載，包括圖像處理、機器學習等，為邊緣計算提供了高度定制化、靈活性強、性能卓越和功耗效能優越的解決方案。例如，蘋果的M1 Pro和M1 Max芯片就采用了Chiplet技術，將多個計算芯片和內存芯片通過扇出型晶圓級封裝技術封裝在一起，實現了高性能和低功耗的移動計算方案。未來，Chiplet技術有望實現更高的邊緣計算能力和更低的邊緣計算功耗，支持更多的邊緣計算應用，如物聯網、智能家居、智能汽車等。

4、物聯網

Chiplet技術可以應用于物聯網領域，提高物聯網設備的功能和可靠性。通過將芯片分解成獨立的功能模塊，物聯網設備可以實現更高級別的功能集成，同時提升可靠性。這種模塊化設計使得物聯網設備可以根據具體應用需求，選擇性地集成不同功能的Chiplet，從而實現個性化的定制化配置。Chiplet技術還促使了物聯網設備更加緊湊、能效更高的設計，有助于延長設備的電池壽命，提高其在無線網絡環境中的穩定性。Chiplet技術可以集成不同頻段、不同協議的芯片，實現多模式、多頻段的通信系統。例如，高通的Snapdragon系列芯片就采用了Chiplet技術，將多個芯片模塊通過FOWLP技術封裝在一起，支持多種通信標準和功能。未來，Chiplet技術有望實現更高的通信性能和更好的通信質量，支持更多的物聯網應用，如智能穿戴、智能醫療、智能城市等。

小結

基于Chiplet技術的AI芯片設計，通過靈活組合多種功能模塊，可以有效實現高算力、靈活性強、低功耗、多樣化應用場景的需求，但其仍有互連延遲、散熱、工具鏈問題、標準化和生態系統建設等困難需要解決。但從總體上來看，發展Chiplet技術將會大大降低芯片設計門檻，在一定程度上可以避開美國對我國先進工藝芯片制造的限制，為我國半導體自主國產化帶來機會。

參考文獻：

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2、張志偉,馮明憲,田果,等.Chiplet技術推動半導體產業可持續發展的研究[J].無線互聯科技.

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4、厲佳瑤,張琨,潘權.Chiplet技術：拓展芯片設計的新邊界[J].集成電路與嵌入式系統.

5、張志偉,田果,王世權.先進封裝Chiplet技術與AI芯片發展[J].中阿科技論壇(中英文).

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