争议的“小芯片”技术,能否帮助中国芯片“弯道超车”?|硅基世界

钛媒体App 8月8日消息,过去一周,受到芯片半导体“国产替代”影响,A股和港股半导体板块强势增长,华大九天上市6天累涨近3倍,芯原股份、通富微电、晶方科技、睿创微纳等多股涨停。

8月5日挂牌的三只半导体新股中,模拟芯片厂商中微半导体(688380.SS)首日涨幅高达82.11%,广立微(301095.SZ)涨幅达155.78%,存储芯片厂商江波龙(301308.SZ) 首日大涨77.83%。

截止周一(8日)开盘前,中芯国际港股上涨7.1%,中芯A股上涨4.4%;华虹半导体上涨5%;中证半导体ETF指数(CSI:H30184)则上涨6.8%,为四个月高位,一周内涨幅高达14.2%,创2020年7月以来的首次。

与此同时,一个半导体产业新的先进封装技术细分领域——Chiplet(小芯片,又称“芯粒”)近期备受机构投资者的关注。8月4日,阿里巴巴、英伟达宣布加入Chiplet生态的通用芯粒互连(UCIe)联盟;8月7日,国内芯片IP公司芯原股份(688521.SH)在财报中披露,其有可能成为全球第一批面向客户推出Chiplet商用产品的企业,基于此技术的5nm 系统级芯片(SoC)目前已流片成功。

不过,这项技术还存在争议。部分行业人士认为,Chiplet对中国解决先进芯片技术瓶颈具有重要意义,是中国市场换道超车重要技术路径之一。甚至8月6日有文章称Chiplet是“10年涨10倍的大机遇”。但清华大学专家却指出,Chiplet只是先进芯片制造工艺的“补充”,而不是替代品。

争议中的Chiplet

Chiplet是在摩尔定律趋缓下的半导体工艺发展方向之一,也是一种芯片“模块化”设计方法,还是异构集成的封装技术。

简单来说,Chiplet能将不同工艺节点、不同功能,甚至不同材质的Chiplet,如同搭积木一样,通过先进封装技术(如英特尔主推的EMIB、Foveros、Co-EMIB等封装技术)集成在一起,从而形成一个系统级芯片(SoC),以平衡芯片计算性能与成本。

与传统的SoC方案相比,Chiplet模式具有设计灵活性、成本低、上市周期短三方面优势。

Chiplet最初是2015年,Marvell创始人周秀文在ISSCC 2015上提出MoChi(模块化芯片)架构概念,核心背景就是摩尔定律的放缓以及先进芯片设计成本越来越高。随后,AMD公司以实现性能、功耗和成本的平衡为目标,率先将Chiplet应用于商业产品中。

苹果Chiplet专利与M1 Ultra芯片

随后,科技巨头们也嗅到了Chiplet技术的商业化前景。今年3月苹果公司发布的自研M1 Ultra芯片,就是通过Chiplet封装方案,将两个M1 Max芯片互连,以实现更高的性能以及更经济的方案。而目前已有的Chiplet封装技术还包括Organic Substrates、台积电提出的Passive Interposer(2.5D) 以及英特尔提出的Silicon Bridges等。

根据调研机构Omdia的数据显示,到2024年,Chiplet处理器芯片的全球市场规模将达到58亿美元,较2018年增长9倍。到2035年,全球Chiplet芯片市场规模将有望扩大到570亿美元,较2024年增长近10倍。

基于Chiplet的系统芯片示意图(来源:IEEE会议)

“(Chiplet)解决7nm、5nm及以下工艺中,性能与成本的平衡,能降低较大规模芯片的设计时间和风险。”芯原股份CEO戴伟民在2020年世界计算机大会上表示。

对于中国来说,Chiplet技术的最大吸引力在于,它可以在降低成本下,实现不同工艺节点的芯片产品搭配,并通过添加或删除Chiplet,来创建具有不同功能集的不同产品。

比如,一颗芯片内部包含存储、通信和NPU(神经网络处理器)模块,它可以搭配28nm、14nm、7nm不同节点,中间由I/O die互连,从而创造出与7nm芯片一样的性能和作用,这有助于减少美国对先进技术封锁的影响。

戴伟民在今年6月的一场线上会议中表示,Chiplet技术能使中国构建计算机和电子设备核心的中央处理器 (CPU) 和图形处理器 (GPU) 的“战略库存”。

“Chiplet对中国解决(先进芯片技术)瓶颈具有重要意义......这项技术为中国提供了一个机会,可以囤积Chiplet处理器芯片,以便在后期需要时使用它们来生产更强大的处理器。”戴伟民表示。

中国计算机互连技术联盟(CCITA)秘书长、中科院计算所研究员郝沁汾接受媒体采访时表示,中国可以采用28nm成熟工艺的芯片,通过Chiplet封装方式,使其性能和功能接近16nm甚至7nm工艺的芯片性能。

在国内,华为海思半导体是最早研究Chiplet技术的公司之一。随后包括芯片IP公司芯原股份、国内芯片封装龙头企业长电科技(600584.SH) 、通富微电、华天科技等企业,都在发力Chiplet技术。根据中国证券报的统计,A股中布局Chiplet的概念股有8只。

8月5日,长电科技表示,2021年公司推出了支持Chiplet技术的扇出型封装解决方案;芯原股份则表示,其计划于2022年至2023年,继续推进高端应用处理器平台Chiplet方案的迭代研发工作,并通过客户合作项目、产业投资等,持续推进Chiplet在平板电脑、自动驾驶、数据中心等领域的产业化落地进程。

不过,清华大学教授魏少军却认为,Chiplet处理器芯片是先进制造工艺的“补充”,而不是替代品。“其目标还是在成本可控情况下的异质集成。”

清华大学集成电路学院院长吴华强也表示,Chiplet不是先进芯片制造的替代品,但它们可能有助于中国建立“战略缓冲区”,提高本地的性能和计算能力,以制造用于数据中心服务器芯片。

综合考虑成本、性能等多方面的因素,魏少军认为,Chiplet技术最大的应用场景,主要包括计算逻辑与DRAM(动态随机存储)集成、手机领域通过Chiplet将多颗芯粒集成以节省体积、以及汽车、工业控制、物联网等领域。

Chiplet技术的关键标准和接口方面,中国是追赶者。今年3月2日,英特尔联合AMD、Arm、谷歌云、高通、Meta、微软、三星、台积电、日月光这10家半导体产业上下游企业组成UCIe(Universal Chiplet Interconnect Express)国际产业联盟,意欲推动Chiplet互联标准规范化、共建开放生态。目前包括阿里、芯原股份、芯耀辉等国内企业也都加入其中。

中国科学院微电子研究所封装中心副主任王启东表示,Chiplet还有一些技术障碍需要克服。比如封装14nm节点芯片以执行7nm芯片功能,可能会增加40%的功耗。“即使我们能找到技术解决方案,另一个挑战是如何控制成本。我认为现在没有人对此非常清楚。”

魏少军认为,中国集成电路产业总体上还处在追赶的过程中,Chiplet的出现并不能带来这一态势的根本改变。不过,中国企业可以借助Chiplet更快地发展应用,促使其向标准芯粒方向转型。

内忧外患下的关键时刻

“中国半导体的发展正面临非常关键的时刻,可以用外忧内患两方面来解释。”8月5日,魏少军以线上视频方式表示,以美国和西方对中国的打压作为重要的标志,外部形势越来越严峻。从国内来看,中国半导体产业的自主发展也正进入一个关键时刻。

中国科学院科技战略咨询研究院今年6月发布的一篇论文中指出,中国芯片设计产业在全球竞争格局中长期受到边缘化威胁,据中国半导体协会数据显示,近年来中国芯片设计企业数量持续增长,在2020年总数量已达到2218家,但真正有市场影响力和生态话语权的企业凤毛麟角。

随着全球通货膨胀、俄乌冲突、国内疫情、美国对中国半导体产业的打压等,整体的市场需求出现萎缩,全球半导体产业也受到了较大的影响。

美国半导体行业协会的数据显示,6月份半导体销售额同比增长13.3%,低于5月份的18%。这是连续第6个月增速放缓,也是自2018年以来持续时间最长的一次。调研机构Gartner表示,从长远来看,芯片销售的增长速度远低于预期,全球半导体市场正在进入疲软期,并将持续到2023年,届时半导体收入预计将下降2.5%。

数据显示,2022年全球经济前景迅速恶化,芯片销售也随之放缓。

芯片销售与全球经济走势关系(来源:SIA、世界银行)

“中国芯片设计企业将面临一个从量变到质变的关键临界点。”上述文章认为,中国需要利用市场优势来发展芯片设计,尤其是模拟芯片和功率半导体等具有发展机遇的领域,并且提升本土软件生态系统培育能力,将国内芯片企业集中一起构建中国产业。

根据中国半导体行业协会发布的数据,国内集成电路产业总营收更是在2021年首次突破万亿大关,同比增长18.2%,达到了10458.3亿元。但同时,中国依然是全球最大的芯片进口国,占据全球半导体市场的1/3。

对于内忧外患下的关键时刻,中信证券认为,当前正处于全球半导体供应链的大变革阶段,一方面在各国加大政策补贴背景下,产能扩张持续加码,扩产潮下设备企业受益显著;另一方面在施加外部限制背景下,供应链安全得到重点关注,本土设备材料零部件供应商更多承接本土需求,获得持续份额提升。

“有望加速国产设备、零部件的研发、验证,建议关注国产化趋势下设备、零部件的发展机遇。”中信证券表示。(本文首发钛媒体App,作者|林志佳)

(头图片来源:Shutterstock EN)

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