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經(jīng)濟觀察網(wǎng) 記者鄭晨燁“美國管制新規(guī)草案出臺后，很多業(yè)外人士甚至部分業(yè)內(nèi)人士都把Chiplet（芯粒）當(dāng)救命稻草了。”10月17日，北京一家芯片企業(yè)的前端工程師李振在電話中告訴記者。
他所提到的美國管制新規(guī)草案，是指10月7日，美國商務(wù)部產(chǎn)業(yè)安全局最新出臺的對華半導(dǎo)體出口限制措施，其中主要內(nèi)容包括對18納米或以下的DRAM芯片、128層或以上的NAND閃存芯片和14納米或以下的邏輯芯片的出口，增加新的許可證要求并嚴(yán)格審查，限制美國人員在沒有許可證的情況下支持位于中國的某些半導(dǎo)體制造設(shè)施集成電路開發(fā)或生產(chǎn)的能力。
面對美國“卡脖子”措施的不斷升級，通過Chiplet模式實現(xiàn)國產(chǎn)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的“彎道超車”開始逐步成為市場中的熱議話題，也在A股中催化出了Chiplet概念板塊，將這一陌生的名詞帶到了資本市場的投資者面前。
“Chiplet模式，可以將多個采用低工藝制程的模塊，比如22nm工藝的模塊拼裝在一起，從而達(dá)到7nm工藝芯片的性能，使得廠商可以繞開先進(jìn)制程工藝的限制。”李振表示。
Chiplet是什么？
1965年，英特爾創(chuàng)始人戈登·摩爾總結(jié)了一個趨勢，即集成電路上可以容納的晶體管數(shù)目在大約每經(jīng)過18個月到24個月便會增加一倍，性能也將提升一倍，同時其價格也會降低為原來的一半。
這一原本是摩爾等業(yè)內(nèi)人士的經(jīng)驗之談，在經(jīng)過歸納后便逐漸成了影響半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展至今的摩爾定律。
“摩爾定律并非自然規(guī)律，應(yīng)該被視為對集成電路性能發(fā)展的觀測或預(yù)測。過去半個多世紀(jì)以來，半導(dǎo)體行業(yè)大致按照摩爾定律發(fā)展。”灼識咨詢合伙人趙曉馬向記者解釋。
但眼下，隨著芯片制造工藝的不斷發(fā)展，按照摩爾定律提高晶體管密度以提升芯片性能的方法，也逐漸遇到了瓶頸。
“單個芯片上集成的晶體管數(shù)量從幾千個增加到十幾億個，受制于芯片尺寸的物理極限、光刻技術(shù)、隧道效應(yīng)、功耗和散熱、供電能力等問題，制造工藝從5nm升級到3nm再到2nm，其間隔都超過了2年時間。”趙曉馬進(jìn)一步指出，
面臨摩爾定律發(fā)展趨緩，開發(fā)先進(jìn)制程的成本及研發(fā)難度不斷提升的現(xiàn)狀，半導(dǎo)體行業(yè)開始拓展新的技術(shù)路線試圖延續(xù)摩爾定律，而如今被視為“救命稻草”的Chiplet概念也由此提出。
趙曉馬告訴記者，在后摩爾時代，新集成、新材料、新架構(gòu)成為行業(yè)創(chuàng)新的焦點。而在新集成中，就包括Chiplet和先進(jìn)封裝，Chiplet由于其高性能、低功耗、高面積使用率以及低成本受到廣泛關(guān)注，在FPGA（可編程器件）、GPU（圖形處理器）等高性能計算市場具備很高潛力。
“Chiplet，本質(zhì)上是一個設(shè)計理念，它將不同工藝、不同功能的模塊化芯片，通過封裝和互聯(lián)等方式，像拼接樂高積木一樣用封裝技術(shù)整合在一起，形成一顆芯片。簡單來說，Chiplet是小芯片或者說芯粒在封裝層面整合的解決方案。”上海奎芯科技產(chǎn)品副總裁王曉陽在接受經(jīng)濟觀察網(wǎng)記者采訪時表示。
趙曉馬認(rèn)為，Chiplet最大的特點就是從系統(tǒng)的角度來延續(xù)“摩爾定律”的經(jīng)濟效益，器件將以多種方式集成，系統(tǒng)空間內(nèi)的功能密度將持續(xù)增長。
“首先，Chiplet可提供較大的性能功耗優(yōu)化空間，支持面向特定領(lǐng)域的靈活定制。其次，有效提升信號傳輸質(zhì)量和帶寬。第三，利用小芯片（具有相對低的面積開銷）低工藝和高良率的特性，可以有效降低成本。第四，可以有效縮短芯片的研發(fā)周期及節(jié)省研發(fā)投入，并降低研制風(fēng)險。”趙曉馬補充說。
在王曉陽眼中，Chiplet作為一條跨越摩爾定律的技術(shù)路徑，對產(chǎn)業(yè)鏈上IP（可復(fù)用設(shè)計模塊）公司、先進(jìn)封裝公司、晶圓公司來說，不亞于是一次革命性的改變。
“以前的SoC（系統(tǒng)級芯片）設(shè)計方法學(xué)中IP已經(jīng)設(shè)計成可以復(fù)用的，但是形成SoC原型設(shè)計以后該走的軟硬件協(xié)同驗證、后端與物理設(shè)計、流片制造的流程一個也少不了。”王曉陽告訴記者。
“如果是Chiplet的話，只需要直接做一次封裝加工就可以用起來，其復(fù)用程度遠(yuǎn)超過現(xiàn)在的IP。”他進(jìn)一步解釋。
Chiplet模式所具有的諸多優(yōu)勢，讓各類芯片廠商紛紛加快自身在這一領(lǐng)域的技術(shù)布局。
就在今年3月，包括英特爾、AMD、臺積電在內(nèi)的10家集成電路領(lǐng)域的頭部廠商發(fā)起成立了UCIe產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟 (Universal Chiplet Interconnect Express) ，旨在進(jìn)一步加速Chiplet生態(tài)的發(fā)展，制定行業(yè)間的互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)，其中也包括多家中國大陸半導(dǎo)體公司，例如芯原股份、芯和半導(dǎo)體、長電科技、燦芯半導(dǎo)體等。
據(jù)市場研究機構(gòu)Omdia測算，2021年全球Chiplet市場規(guī)模已達(dá)到18.5億美元，預(yù)計未來五年仍將以46%的年均復(fù)合增長率高速增長，到2035年全球Chiplet市場規(guī)模或?qū)⒊^570億美元。
國產(chǎn)IP設(shè)計產(chǎn)業(yè)受益
“目前在布局Chiplet領(lǐng)域的A股上市公司有兩類，分別是IP設(shè)計公司、先進(jìn)封裝與封測設(shè)備公司。其中，IP設(shè)計領(lǐng)域的代表公司是芯原股份（688521.SH），封裝領(lǐng)域的代表公司有通富微電（002156.SZ）及長電科技（600584.SH）。”滬上一家大型券商的電子首席分析師王泓告訴經(jīng)濟觀察網(wǎng)記者。
記者了解到，Chiplet本質(zhì)上是一種異構(gòu)集成，即將不同制程、不同性質(zhì)的芯片整合在一起，由此也給芯片產(chǎn)品帶來了三大挑戰(zhàn)，分別是：芯片帶寬不一致導(dǎo)致的信號傳輸不穩(wěn)定、Chiplet互連不直接導(dǎo)致的功耗不平衡、Chiplet的堆疊導(dǎo)致的散熱問題。
“先進(jìn)封裝是解決Chiplet異構(gòu)集成的關(guān)鍵方式，目前行業(yè)內(nèi)主要的先進(jìn)封裝工藝有倒裝封裝、晶圓級封裝、2.5D/3D封裝以及系統(tǒng)級封裝等，尤其后三者是行業(yè)焦點。“趙曉馬指出。
作為封測領(lǐng)域領(lǐng)軍企業(yè)的通富微電在今年的半年報中，曾披露表示：“公司通過在多芯片組件、集成扇出封裝（晶圓級封裝的一種形式）、2.5D/3D 等先進(jìn)封裝技術(shù)方面的提前布局，可為客戶提供多樣化的 Chiplet封裝解決方案，并且已為AMD大規(guī)模量產(chǎn) Chiplet 產(chǎn)品。”
長電科技也在9月25日于上證e互動回復(fù)投資者稱：“得益于集團全資子公司星科金朋在Chiplet 相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域積累的長期量產(chǎn)經(jīng)驗和大量專利，公司目前擁有用于Chiplet封裝的超大尺寸FCBGA（倒裝芯片封裝）封裝技術(shù)能力，多層芯片超薄堆疊及互聯(lián)技術(shù)能力，與極高密度多維扇出型（一種降低尺寸與成本的封裝工藝）異構(gòu)集成技術(shù)能力，正在持續(xù)推進(jìn)該技術(shù)的生產(chǎn)應(yīng)用和客戶產(chǎn)品的導(dǎo)入。”
而在早前4月份的一場網(wǎng)絡(luò)調(diào)研中，長電科技方面就曾表示，公司2021年先進(jìn)封裝包括除打線與測試外的其他封裝形式，收入占比已達(dá)60%以上。
不過，從上述兩家公司的財務(wù)表現(xiàn)看，先進(jìn)封裝的應(yīng)用，尚未改變其營收規(guī)模較小、盈利能力較弱的現(xiàn)狀。
根據(jù)長電科技2022年半年報披露，2022年1月份至6月份，長電科技實現(xiàn)營業(yè)收入155.94億元，同比增長12.85%；實現(xiàn)扣非凈利潤僅14.09億元，同比增長50.14%，這一數(shù)據(jù)相比去年同期217.62%的增速水平已是大幅放緩。
而通富微電的情況則更不樂觀，該公司今年上半年實現(xiàn)營業(yè)收入95.67億元，同比增長34.95%；實現(xiàn)扣非凈利潤僅3.65億元，同比下降14.23%。
對于盈利水平的下降，通富微電在半年報中歸結(jié)于“受匯率波動影響”。
“由于技術(shù)含量較低，對于封測行業(yè)，盈利能力較弱一直是個繞不開的話題，但從長期來看，先進(jìn)封裝有望改變這一現(xiàn)狀，隨著Chiplet技術(shù)的持續(xù)落地，先進(jìn)封裝有望給行業(yè)內(nèi)公司提供充足成長動能。”王泓告訴記者。
此外，王泓指出，相較于封測領(lǐng)域，國產(chǎn)IP設(shè)計產(chǎn)業(yè)在Chiplet的快速發(fā)展中受益會更多。
所謂芯片IP，即指芯片中預(yù)先設(shè)計、驗證好的功能模塊，這些模塊在芯片設(shè)計過程中可被反復(fù)使用，因此，業(yè)內(nèi)也有觀點將Chiplet技術(shù)稱為不同芯片IP間的組合。
“打個形象地比喻，芯片設(shè)計公司需要做滿漢全席，而IP就可以看成是一道菜的菜譜，告訴他這道菜該怎么做，而Chiplet則可以看成是這道菜的預(yù)制菜，芯片設(shè)計公司僅需要簡單加熱即可上桌。”王曉陽告訴記者。
“比如我們是做高速互聯(lián)的IP，可以提供給芯片設(shè)計公司，我們既可以銷售IP的方式（菜譜），也可以把IP做成Chiplet產(chǎn)品硬件化（預(yù)制菜），提供給客戶。”他進(jìn)一步向記者解釋說。
趙曉馬指出，傳統(tǒng)單片系統(tǒng)設(shè)計方式是從不同的IP供應(yīng)商處購買IP，結(jié)合自研模塊集成，而在Chiplet模式下只需要購買供應(yīng)商生產(chǎn)好的Chiplet小芯片，將其封裝形成系統(tǒng)芯片即可。
“Chiplet是新的硅片級IP重用模式，在工藝選擇、架構(gòu)設(shè)計上都具有靈活性，優(yōu)化了IP硬核（已成型的功能模塊）無法修改導(dǎo)致的復(fù)用困難和使用范圍較窄的問題。”他分析稱。
王曉陽告訴經(jīng)濟觀察網(wǎng)記者，其所在公司的IP產(chǎn)品已經(jīng)成功在一些知名廠商的7納米以上工藝節(jié)點得到驗證并實現(xiàn)量產(chǎn)，目前產(chǎn)品已能涵蓋從12nm到180nm的基礎(chǔ)庫IP，7nm到110nm的接口類IP，以及模擬IP和定制服務(wù)。
“目前我們的研發(fā)團隊﹐正在集中力量自主研發(fā)14／12納米及以下的先進(jìn)工藝IP。”王曉陽進(jìn)一步補充說。
李振則告訴記者，目前數(shù)據(jù)中心、汽車電子及電腦處理器三大領(lǐng)域是Chiplet技術(shù)的主流應(yīng)用方向。
“Chiplet的車規(guī)級產(chǎn)品落地較快，國產(chǎn)的GPU（圖形處理器）、NPU（神經(jīng)處理單元）、ISP（圖像信號處理器）等IP產(chǎn)品已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于車載系統(tǒng)當(dāng)中，比如輔助駕駛模塊，車載大屏等等。”李振說，
王曉陽亦表示，隨著汽車產(chǎn)業(yè)智能化和網(wǎng)聯(lián)化程度的不斷提高，汽車自動駕駛和智能座艙采用了復(fù)雜的SOC芯片，計算/感知/執(zhí)行都需要更快的數(shù)據(jù)傳輸能力給予支撐，而Chiplet可以大幅簡化汽車芯片迭代時的設(shè)計工作和車規(guī)流程，同時增加汽車芯片的可靠性。
國產(chǎn)IP行業(yè)的龍頭芯原股份在2022年的半年報中分析稱：“在汽車‘缺芯’潮的背景下，大眾、福特、通用、北汽、比亞迪等傳統(tǒng)汽車制造企業(yè)和特斯拉、小鵬、蔚來、理想、零跑等新能源汽車廠商紛紛表示將要自主設(shè)計汽車芯片，這種趨勢為集成電路設(shè)計產(chǎn)業(yè)中半導(dǎo)體 IP 和芯片設(shè)計服務(wù)的發(fā)展擴展了市場空間。”
根據(jù)行業(yè)研究機構(gòu)Statista的數(shù)據(jù)顯示，2020 年全球汽車電子市場規(guī)模約為2180億美元，到2028年有望達(dá)到4000多億美元，增長逾80%，年復(fù)合增長8%左右。
但值得注意的是，目前在IP設(shè)計領(lǐng)域也依舊存在“卡脖子”的現(xiàn)象。
“目前全球主要的IP供應(yīng)商來自英美，尤其是在高速互聯(lián)IP，高端CPU、GPU等核心IP領(lǐng)域，國際大廠已經(jīng)形成了較高的技術(shù)壁壘。國內(nèi)IP企業(yè)雖然正在向國際領(lǐng)先IP廠商全面追趕，但行業(yè)整體底子還較為薄弱。”王曉陽告訴記者。
他指出，目前在IP領(lǐng)域的國產(chǎn)化率還比較低，在高速接口IP，高端GPU/CPU IP領(lǐng)域的國產(chǎn)化進(jìn)程仍處于起步階段。海外芯片巨頭在Chiplet領(lǐng)域也較為領(lǐng)先。
在他看來，近幾年國內(nèi)芯片設(shè)計的水平進(jìn)步十分顯著，但更多還局限在“如何把芯片設(shè)計完成并落地”。
“IP設(shè)計屬于產(chǎn)業(yè)鏈上游，所要解決的是工程問題而不是科學(xué)問題，而工程問題需要產(chǎn)業(yè)鏈上下游進(jìn)行磨合，需要客戶幫助發(fā)現(xiàn)、解決問題，以進(jìn)行迭代。所以，國產(chǎn)IP只要有機會去不斷嘗試、突破，是非常有機會趕超的。”王曉陽進(jìn)一步補充說，
繞不開的先進(jìn)制程
10月7日，美國商務(wù)部產(chǎn)業(yè)安全局（BIS）再度出臺了對華半導(dǎo)體出口限制措施，旨在進(jìn)一步限制國內(nèi)獲得先進(jìn)計算芯片、開發(fā)和維護超級計算機以及制造先進(jìn)半導(dǎo)體的能力。
在美國商務(wù)部產(chǎn)業(yè)安全局官網(wǎng)上，經(jīng)濟觀察網(wǎng)記者梳理了這份管制新規(guī)的主要內(nèi)容，其中，BIS表示，將對目的地為中國的半導(dǎo)體制造設(shè)施且能制造符合特定標(biāo)準(zhǔn)的集成電路之物項，增加新的許可證要求，許可證的相關(guān)閾值如下：非平面晶體管結(jié)構(gòu)16nm或14nm或以下（即FinFET或GAAFET）的邏輯芯片半間距18nm或以下的DRAM存儲芯片；128層或以上的NAND閃存芯片。
此外，記者還注意到有一項條款，將限制美國人員在沒有許可證的情況下支持位于中國的某些半導(dǎo)體制造設(shè)施集成電路開發(fā)或生產(chǎn)的能力。
“其實在10月以前，圈內(nèi)就陸續(xù)有美國要加碼制裁的傳聞了，但是在真的看到條款內(nèi)容時，我還是很驚訝，這是一次全方位的封殺，我們學(xué)校一些學(xué)弟都跑來咨詢我情況怎么樣，要不要轉(zhuǎn)專業(yè)。”李振在電話中告訴記者。
而在美國持續(xù)加碼限制中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的背景下，通過Chiplet技術(shù)能繞開先進(jìn)制程限制的觀點開始風(fēng)靡于市場中。
“這種觀點大致意思是，將多個采用低工藝制程的模塊，比如22nm工藝的模塊拼裝在一起，從而達(dá)到7nm工藝芯片的性能。”李振說。
在李振看來，這樣的做法邏輯上確實可行，也已有部分廠商采取了此類方案，但該方案在經(jīng)濟效益上卻存在一定問題。
“這種方案只能說應(yīng)急，但絕不是正道，用低工藝攢出來的產(chǎn)品，只能說接近先進(jìn)制程芯片的部分性能，不可能完全達(dá)到同等性能，還會帶來成本的上升。”他說，
王泓亦向記者表示，這種“曲線救芯”的方式，本質(zhì)上是通過偏封裝層面的技術(shù)實現(xiàn)，但底層制造工藝才是決定芯片性能上限的核心要素。
“光靠Chiplet沒辦法超車，而且在Chiplet領(lǐng)域我們也不領(lǐng)先，你可以通過幾個14納米模塊的聯(lián)系把性能往上提一提，但在同等面積下，肯定是比不過7nm的，先進(jìn)制程是繞不開的，所以美國現(xiàn)在完全不讓你買先進(jìn)制程的產(chǎn)品，確實給產(chǎn)業(yè)帶來不小的麻煩。“王泓說。
他認(rèn)為，中國大陸的半導(dǎo)體行業(yè)，通過Chiplet實現(xiàn)彎道超車，繞開先進(jìn)制程的說法，更像是一種情緒的釋放，“最近的市場太需要一些好消息了。”
趙曉馬也告訴記者，Chiplet模式的出現(xiàn)背后是摩爾定律越來越接近極限，在這樣的背景下，半導(dǎo)體的技術(shù)進(jìn)步比原來更難也更慢了，這本身對于國內(nèi)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的追趕是一個好消息。而Chiplet這個技術(shù)通過先進(jìn)封裝來實現(xiàn)，不需要光刻機，這對于企業(yè)而言也是好消息。
“除了好消息外，我們也要看到，目前Chiplet這塊的競爭者是原來的頂級晶圓廠，臺積電、三星和英特爾，他們也各自有核心技術(shù)的積累，例如臺積電的Hybrid Bonding技術(shù)，難度極高。”趙曉馬向經(jīng)濟觀察網(wǎng)記者表示。
（應(yīng)受訪者要求，文中王泓為化名）
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