火起来的Chiplet，国产芯片挑战还是机遇

“Chiplet有多热，技术基础就有多难做，留给国产半导体的时间不多了”

作者丨靳超

来源丨观知财经

据8月31日消息，多家外媒报道，美国政府要求英伟达和AMD对中国区客户断供用于人工智能和数据中心的顶级计算芯片。这也是继8月9日美国总统拜登签署《芯片与科学法案》、8月15日美国断供中国3纳米以下EDA软件后，美国对中国半导体产业的又一大限制措施。

作为现代高科技产业的基础，半导体产业是支撑我国经济社会发展和保障国家安全的战略性、基础性和先导性产业。

随着中美半导体竞争日渐白热化，从半导体产业三大领域“设计、制造、封装”，到如今乃至依赖半导体的相关产业，凡是薄弱点，都美国受到限制。

缺芯少芯一直是高悬在我们头顶的达摩克里斯之剑。

通过深入了解近期火爆的Chiplet概念，或许可以更深刻的了解国产半导体行业。

Chiplet扛起后摩尔时代大旗

刚刚过去的八月，Chiplet是半导体产业热词，没有之一。

多家券商发布研报，认为Chiplet是国产芯片弯道超车的关键，Chiplet概念股异军突起，相关个股纷纷涨停。

如今Chiplet话题逐渐降温，现在回头看看，Chiplet真的是国内芯片崛起的关键吗？

Chiplet概念，本质上并不是一种技术，而是芯片设计封装的一种概念，甚至可以说是相关从业人员灵光乍现的一个想法。

2015年，Marvell创始人之一周秀文博士在ISSCC2015大会上提出的Mochi（Modular Chip，模块化芯片）架构的概念，他认为Mochi可以成为许多应用的基准架构，并不局限于半导体领域。

Mochi概念提出后，随着尺寸微缩，半导体产业出现了摩尔定律周期逐步放缓，成本急剧攀升的问题。

以intel 10nm工艺难产为例，根据intel更新路线，由于技术不成熟，芯片频率上不去等原因，2017年推出 14nm＋＋工艺被迫营业到了2021年，10nm工艺才趋于成熟。

在芯片开发成本上，有消息称28nm节点上开发只要5130万美元，16nm节点需要1亿美元，7nm节点需要2．97亿美元，到了5nm节点，开发芯片的费用达到5．42亿美元，至于先进的3nm节点，苹果都决定放弃使用：近日有消息称由于苹果不满意台积电的3nm的生产成本和性能提升，决定取消台积电3nm订单，甚至台积电内部已经决定放弃第一代3nm工艺。

在多重压力的驱动下，AMD、台积电、intel等行业巨头挖掘了Mochi概念在半导体产业的可行性，形成了现在的Chiplet。

相比原来所有功能模块刻蚀在单一晶片上，Chiplet概念像拼接乐高积木一样将不同作用的芯片用封装技术整合在一起，在提升性能的同时实现低成本和高良率。

AMD借助Chiplet概念，当intel还沉浸在“14nm＋＋＋＋”工艺时，几乎将intel按在地上摩擦。

2017年，AMD为降低成本，尽可能少设计芯片，推出了素有胶水核心之称的第一代Zen处理器，最终实现一颗芯片可以覆盖从消费级到服务器级的场景，避免了大核心带来的良率问题，大幅度降低了成本。

2019年，为了应对7nm大幅增长的成本，在Zen2处理器上AMD的胶水核心上更近一步，将CPU核心与IO核心分离，高性能CPU核心采用7nm工艺制造，对工艺不敏感的IO核心上采用14nm／12nm工艺，曾有分析显示，相比一个大型的7nm芯片，Zen2处理器成本降低25％以上。

受高端AI芯片断供影响，连续三个交易日内（2022年8月31日、9月1日、9月2日）收盘价格涨幅偏离值累计达到30％以上的寒武纪－U，就曾公开声明旗下云端AI芯片370采用了Chiplet概念。

标准化协议发布，行业竞争加剧

2022年3月，为了让Chiplet更好发展，Arm、AMD、Meta、intel、谷歌云、微软、高通、三星、日月光和台积电等发起了UCIe产业联盟，推出了UCIe 1．0协议。

UCIe 1．0是一个开放的小芯片互连协议，通过建立芯片到芯片（die－to－die）的标准化互连标准并促进开放式Chiplet生态系统，满足客户对可定制封装要求。

其目标是建立一个全行业可用的开放平台，并以此为基础创建支持异构集成的开放式小芯片生态系统。

围绕开放平台协调整个半导体行业，依据UCIe1．0协议使基于小芯片的解决方案能够形成支持异构集成的开放小芯片生态系统，从而保持混合与匹配来自不同工艺节点、代工厂和供应商的小芯片的灵活性，通过复用现有的小芯片来缩短上市时间。

现如今Chiplet有成熟的技术支持，有UCIe标准化的协议规范，甚至有多个芯片产品验证，Chiplet概念已然成为半导体产业最重要的发展方向。

对于Chiplet来说，最为关键还是在于先进封装技术，使得每个“Chiplet”高速互联在一起，整合成一个系统级芯片。

此次成立UCIe产业联盟的十家行业巨头中，仅有日月光一家封测厂，这也意味着Chiplet的互联标准主要由前道工序厂商把控，使得作为后道工序的封测厂商显得较为被动。

UCIe标准协议的发布，大大提高了对半导体封装企业的工艺要求。

根据UCIe 1．0协议，Chiplet模式下可以混合与匹配来自不同工艺节点、代工厂和供应商的小芯片，通过复用现有的小芯片来缩短上市时间。

这对国内封测企业提出了不小的挑战。

相比Chiplet封装，虽然目前应用广泛的SiP （System in Packaging， 系统级封装）技术也是通过不同元件间的整合与封装，但是Chiplet对于封装技术的要求更高，因为每颗芯粒之间需要高密度的互联，才能实现类高速的互联，达到类似原来单个大芯片中各个功能模块间的信号传输速度。

目前来看，可应用于Chiplet的封装解决方案主要是2．5D和3D封装。

目前国际上2．5D封装技术发展已经非常成熟，并且已经广泛应用于FPGA、CPU、GPU等芯片当中，近年来，随着Chiplet架构的兴起，2．5D封装也成为了Chipet架构产品主要的封装解决方案。

相比2．5D技术，全新的3D封装技术更适合于Chiplet，3D封装能够帮助实现3DIC，即芯粒间的堆叠和高密度互联，可以提供更为灵活的设计选择。但是，3D封装的技术难度也更高，目前主要有英特尔和台积电掌握3D封装技术并有商用。

采用3D封装的AMD 5800X3D处理器

尽管目前国内封测企业已在相关领域占据一席之地

根据2021年全球委外封测（OSAT）榜单显示，2021年委外封测整体营收较2020年增长21．85％，达到2860亿元；其中前十强的营收达到2217亿，较2020年增长22．39％。根据总部所在地划分，前十大委外封测公司中，中国大陆有三家企业上榜，江苏长电、通富微电和天水华天，总市占率为20％；中国台湾有五家，市占率为40．7％，；美国一家，市占率为13．5％；

尽管目前国内半导体产业链相关企业也在积极的布局2．5D／3D封装技术，相比国外厂商起步较晚，仍有一定差距。

作为国内封测龙头企业，今年6月才加入UCI联盟的江苏长电，现有封装技术集中在C、WLP、Fanout、Bumping、SiP、TSV、PoP等封装平台及工艺，目前在大力推动其2．5D封装技术的量产。

近期通富微电透露，可为客户提供多样化的Chiplet封装解决方案，并且已为AMD大规模量产Chiplet产品。但受限于市占率不高，相比头部厂商竞争力有限。

而天水华天仅仅声明已具备了chiplet封装技术平台。

值得注意的是，近期在股市一路高歌猛进的海光信息在招股书中披露，已完成Chiplet、2．5D等先进封装的设计与实现，相关技术已应用在海光处理器产品中。

频繁断供，半导体产业路在何方

在芯片设计和测试领域，虽然Chiplet概念无需设计复杂完整的大芯片，但将原有完整的芯片模块化分解成一个个小芯粒，并将其整合到一个封装中，系统复杂度大大提升，对国内原本就不具优势的设计领域提出了更高的要求。

生产过程中，即便有Chiplet概念的加持，受限于经济成本，主要IP（比如计算core）依然必须采用较新的工艺制程才能保证性能，在当前美国限制EUA光刻机的政策影响下，国内芯片制造企业仍有很长的一段路要走。

目前台积电和三星均宣布3nm工艺投产，相比之下，受限于美国EUA光刻机限制，国内芯片代工头部企业中芯国际7nm工艺刚刚突破。

据财报披露，2021年全年台积电营收568．2亿美元，28nm及以下制程的营收占比高达75％，其中仅5nm的营收占比就已经达到了19％，先进制程对其营收的贡献十分明显。

相比之下，中芯国际全年营收约54．4亿美元，其中28nm及以下制程的营收占比，到去年的第四季度才升至18．6％。

说起芯片生产，便不得不提近期被美国断供的EDA软件。

EDA软件，全称电子设计自动化，指利用计算机辅助设计软件来辅助完成超大规模集成电路芯片的设计。在芯片设计领域，随着芯片设计越来越复杂，集成晶体管数量可达数十亿甚至上百亿规模，不借助EDA软件已经无法完成芯片设计，因此EDA软件也被成为芯片之母。

在Chiplet概念下，如今的EDA软件更是贯穿了芯片设计、制造、封测整个流程。

相比原来的单芯片来说，Chiplet概念下的设计和封装是完全独立的。其内部各个芯粒可能采用的是不同的制程工艺，不同架构，同时还需要加入高速互联总线，不同的接口、缓存，甚至各个功能模块还可能需要用到不同的材料。因此在芯片设计之初，就需要考虑到完整的系统层级设计和优化。

在封装过程中，模块化芯片之间如何连接，不同芯片之间如何封装，都需要借助EDA软件不断地仿真模拟，完成信号、电源、热等协同设计。

EDA软件位于半导体产业链的上游，近年来，在下游强劲需求以及技术融合趋势下，全球EDA市场规模呈现稳定上升趋势。根据SEMI统计，全球EDA市场规模已从2012年的65．40亿美元提升至2020年的114．70亿美元，复合增速达7．30％。

有研究院预测，2022年，全球EDA行业市场规模预计将达到136．40亿美元。

Synopsys、Cadence和SiemensEDA是公认的EDA软件三巨头，三家企业均拥有完整的全流程EDA工具，且部分流程工具在细分领域拥有绝对优势，根据赛迪智库和前瞻产业研究院数据，2020年国际EDA三大巨头的EDA软件占据国内市场份额的78％。

值得注意的是，我国本土EDA厂商华大九天在中国EDA市场市占率排名第四，为5．9％。

相比国际领先企业提供的EDA产品及服务较为丰富，并且拥有自身的拳头产品，业务遍布全球，竞争力较强。我国EDA本土领先厂商主要专注于某一细分领域，提供的EDA产品较为单一，竞争力一般，3nm以下的EDA软件更是国产软件的无人区。

如今美国断供中国3nm以下EDA软件，对国产半导体产业发展来讲无疑是雪上加霜。

受限于起步较晚，相关技术严重依赖进口，国内半导体产业距离国际先进技术仍有一段差距。而Chiplet概念作为先进封装的一种方式，在相关技术实力没有完全追赶的情况下，很难助力中国半导体产业弯道超车，如今美国从EUV光刻机到EDA软件，从技术到产品，全方位多领域封锁国内半导体产业，国产强芯之路任重而道远。