當(dāng)今數(shù)字經(jīng)濟時代，算力已經(jīng)成為推動社會發(fā)展的新質(zhì)生產(chǎn)力。隨著摩爾定律逐漸逼近物理極限，傳統(tǒng)的單片集成技術(shù)面臨著成本和性能的雙重挑戰(zhàn)。為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，一種新的技術(shù)——小芯片（Chiplet）技術(shù)應(yīng)運而生。Chiplet通過將多個功能模塊分別制造并封裝在一起，從而實現(xiàn)高性能、高靈活性和低成本的目標(biāo)。
01、小芯片技術(shù)的普及
小芯片（Chiplet，又名芯粒）技術(shù)，是一種模塊化芯片技術(shù)，可將多個不同功能的小型芯片拼搭形成模組，以實現(xiàn)多種處理功能。小芯片系統(tǒng)將傳統(tǒng)片上系統(tǒng)（System on Chip，SoC）所需的微處理器、模擬IP核、數(shù)字IP核和存儲器等模塊分開制造，并在后道工藝中集成為一個芯片模組，可實現(xiàn)不同模塊的混用、復(fù)用，且各模塊不需要在同一制程節(jié)點制造，在成本和良率上具有優(yōu)勢。
目前，多家國際知名半導(dǎo)體企業(yè)已經(jīng)在小芯片技術(shù)領(lǐng)域取得了顯著進展。其中，英特爾、AMD是該領(lǐng)域的代表性企業(yè)。
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AMD的EPYC處理器系列是一個典型的例子。EPYC處理器采用了AMD的Infinity Fabric互連技術(shù)和多芯片模塊（MCM）設(shè)計，將多個小芯片集成在一個封裝中。這種設(shè)計不僅大幅提升了處理器的核心數(shù)量，還增強了其內(nèi)存帶寬和I/O性能。例如，第三代EPYC處理器（代號Milan）最高可提供64個Zen 3架構(gòu)的核心，這在單芯片設(shè)計中是難以實現(xiàn)的。此外，AMD的Infinity Architecture允許靈活地配置不同類型的計算單元，從而滿足不同應(yīng)用場景的需求，如高性能計算、數(shù)據(jù)中心和云計算等。
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英特爾也在小芯片技術(shù)方面取得了重要突破。其Ponte Vecchio數(shù)據(jù)中心GPU就是一個典型案例。Ponte Vecchio采用了英特爾的Foveros 3D堆疊技術(shù)和EMIB（嵌入式多芯片互連橋）技術(shù)，將多個不同工藝節(jié)點的小芯片集成在一起。這種設(shè)計不僅提高了GPU的整體性能，還實現(xiàn)了高度的可擴展性和靈活性。Ponte Vecchio集成了超過1000億個晶體管，包括計算單元、高速緩存、I/O接口等多種功能模塊。這些模塊通過高帶寬、低延遲的互連技術(shù)緊密連接，形成了一個高度協(xié)同的系統(tǒng)。Ponte Vecchio在高性能計算、人工智能訓(xùn)練和推理等領(lǐng)域展現(xiàn)出了卓越的性能。
小芯片技術(shù)通過將多個功能模塊集成在一個封裝中，不僅顯著提升了系統(tǒng)的整體性能，還增強了其靈活性和可擴展性，同時也是這些多重優(yōu)勢讓小芯片技術(shù)在半導(dǎo)體行業(yè)越來越受歡迎。
首先，小芯片技術(shù)能夠克服傳統(tǒng)半導(dǎo)體設(shè)計中的諸多限制，如光罩尺寸和內(nèi)存墻等問題，這些問題長期以來一直是制約半導(dǎo)體器件性能和可擴展性的關(guān)鍵因素。通過將芯片功能模塊化為離散的小芯片，制造商可以更有效地優(yōu)化半導(dǎo)體材料和工藝節(jié)點的使用，從而實現(xiàn)更高的性能和更低的成本。
其次，小芯片技術(shù)能夠更好地利用晶圓邊角空間，并且顯著降低芯片上的缺陷率。在傳統(tǒng)的單片系統(tǒng)級芯片（SoC）設(shè)計中，這些資源往往得不到充分利用，尤其是在需要越來越多功能的大規(guī)模SoC中。通過將各個功能模塊單獨制造并進行測試驗證，可以大大提高制造良率，進而提升輸出質(zhì)量和降低單位成本。
此外，小芯片技術(shù)促進了更加靈活的設(shè)計流程，能夠在無需重新設(shè)計整個芯片的情況下，將針對特定應(yīng)用量身定制的多樣化功能集成在一起。這種模塊化設(shè)計不僅減少了開發(fā)時間和成本，還使得技術(shù)能夠快速適應(yīng)不斷變化的市場需求。
最后，小芯片技術(shù)還增強了供應(yīng)鏈的韌性。制造商可以從不同地區(qū)的多個供應(yīng)商處采購不同的小芯片組件，這種多樣化的供應(yīng)策略降低了對單一供應(yīng)商或地理區(qū)域的依賴。在全球地緣政治緊張局勢和貿(mào)易限制的背景下，小芯片技術(shù)通過減輕供應(yīng)中斷的風(fēng)險，提供了重要的戰(zhàn)略優(yōu)勢。企業(yè)可以更有效地應(yīng)對這些限制，確保關(guān)鍵部件的穩(wěn)定供應(yīng)，而無需過度依賴政治不穩(wěn)定或受貿(mào)易制裁影響的地區(qū)。
也就是說，小芯片技術(shù)通過其在性能優(yōu)化、成本控制和供應(yīng)鏈管理方面的多重優(yōu)勢，成為制造商在追求高性能的同時保持經(jīng)濟效率的一個極具吸引力的選擇。
02、小芯片技術(shù)：機遇與挑戰(zhàn)并存
當(dāng)前，小芯片技術(shù)市場正處于快速發(fā)展階段。
根據(jù)市場研究機構(gòu)Market.us公布的報告顯示，2023年全球小芯片架構(gòu)市場規(guī)模為31億美元，預(yù)計到2033年將暴漲到1070億美元，增幅高達3352%，其中2024年到2033年期間的復(fù)合年成長率高達42.5%。不僅如此，另一家機構(gòu)IDTechEx的報告也顯示，預(yù)計到2035年，小芯片市場規(guī)模將達到4110億美元，這得益于數(shù)據(jù)中心和人工智能等行業(yè)的高性能計算需求。小芯片的模塊化特性允許快速創(chuàng)新和定制，滿足特定市場需求，同時縮短開發(fā)時間和成本。
然而，盡管小芯片技術(shù)展現(xiàn)出眾多優(yōu)勢和廣闊的應(yīng)用前景，但其發(fā)展過程也面臨著一系列挑戰(zhàn)。
多芯片集成所需的先進互連技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)是關(guān)鍵問題之一。為了確保各組件之間的無縫通信，互連解決方案必須具備高帶寬、低延遲和高可靠性。然而，當(dāng)前互連技術(shù)的研發(fā)和標(biāo)準(zhǔn)化進程仍處于發(fā)展階段，尚未形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)體系，這給小芯片技術(shù)的廣泛應(yīng)用帶來了顯著障礙。
熱管理也是小芯片集成中的一個重要挑戰(zhàn)。隨著功能密度的增加，如果熱管理不當(dāng)，可能會導(dǎo)致系統(tǒng)過熱，進而影響性能甚至造成損壞。有效的熱管理解決方案需要綜合考慮散熱設(shè)計、材料選擇以及熱傳導(dǎo)機制等多個方面，以確保小芯片在長時間運行中的穩(wěn)定性和可靠性。
但這些挑戰(zhàn)同時也為供應(yīng)鏈中的各個參與者提供了新的機遇。例如，在小芯片封裝設(shè)計中，不同區(qū)域需要使用不同類型的填充材料，以滿足特定需求，如保護芯片本身、提供機械支撐和熱穩(wěn)定性，以及防止連接小芯片的精細引線和焊球出現(xiàn)分層或分離等問題，這催生了對創(chuàng)新材料的需求，以提高系統(tǒng)的可靠性和性能。
總之，小芯片技術(shù)的發(fā)展不僅依賴于先進的互連技術(shù)和熱管理解決方案，還需要整個產(chǎn)業(yè)鏈的協(xié)同創(chuàng)新，以克服現(xiàn)有挑戰(zhàn)并實現(xiàn)更廣泛的應(yīng)用。
03、寫在最后
小芯片技術(shù)作為一種創(chuàng)新的半導(dǎo)體集成方案，正在逐步改變傳統(tǒng)集成電路的設(shè)計和制造方式。雖然面臨一些挑戰(zhàn)，但其帶來的成本效益、靈活性和性能優(yōu)勢使其成為未來半導(dǎo)體技術(shù)的重要發(fā)展方向。隨著技術(shù)的不斷進步和市場的不斷擴大，小芯片技術(shù)有望在未來幾年內(nèi)迎來更加廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。
