小芯片（chiplet）是一種制造系統(tǒng)的方法，這個(gè)系統(tǒng)實(shí)際上由幾個(gè)較小的小芯片集成，但是從其封裝外部看起來(lái)就好像所有功能單元都在一顆芯片上一樣。小芯片被業(yè)界廣泛視為可以保持計(jì)算行業(yè)系統(tǒng)性能繼續(xù)提升的一種重要舉措。

    “小芯片”是什么？

    基于Chiplets的系統(tǒng)，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是未來(lái)的電腦系統(tǒng)不再需要各種各樣單獨(dú)的芯片，比如CPU／GPU以及各種芯片控制單元（MCU）。我們只需要一個(gè)CPU芯片（Chiplets）和幾個(gè)GPU，將這些GPU都連接到大硅片承載的Chiplets芯片上，從而構(gòu)成一體化的芯片網(wǎng)絡(luò)。

    Chiplets的概念其實(shí)已存在了幾年，隨著高級(jí)互聯(lián)和封裝技術(shù)的日趨成熟，人們對(duì)它的關(guān)注越來(lái)越多。Chiplets可以被理解成是經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)和制造工藝優(yōu)化的專用硅塊或IP塊，這使得它們可以被設(shè)計(jì)得盡可能小，從而增加其產(chǎn)量并最小化成本。

    畢竟，現(xiàn)在7nm工藝的芯片都已經(jīng)造價(jià)不菲，是時(shí)候找找解決辦法了。

    續(xù)命摩爾定律！小芯片時(shí)代來(lái)了

    55年前，被推崇為芯片界“圣經(jīng)”的摩爾定律預(yù)言：當(dāng)價(jià)格不變時(shí)，集成電路上可容納的晶體管數(shù)量每隔18－24個(gè)月會(huì)增加一倍，性能也隨之提升一倍。

    當(dāng)年摩爾定律的出現(xiàn)設(shè)定了極為關(guān)鍵的技術(shù)發(fā)展節(jié)奏基準(zhǔn)，催化了科技市場(chǎng)欣欣向榮，為整個(gè)IT行業(yè)帶來(lái)了難以估量的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

    使用先進(jìn)節(jié)點(diǎn)的好處很多，晶體管密度更大、占用空間更少、性能更高、功率更低，但挑戰(zhàn)也越來(lái)越難以克服。

    極小尺寸下，芯片物理瓶頸越來(lái)越難以克服。尤其在近幾年，先進(jìn)節(jié)點(diǎn)走向10nm、7nm、5nm，問(wèn)題就不再只是物理障礙了，節(jié)點(diǎn)越進(jìn)化，微縮成本越高，能扛住經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)的設(shè)計(jì)公司越來(lái)越少。

    根據(jù)公開(kāi)報(bào)道，28nm節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)成本約為5000萬(wàn)美元，而到5nm節(jié)點(diǎn)，設(shè)計(jì)總成本已經(jīng)飆高到逾5億美元，相當(dāng)于逾35億人民幣。

    而守住摩爾定律，關(guān)乎利潤(rùn)最大化，如果研發(fā)和生產(chǎn)成本降不下來(lái)，那么對(duì)于芯片巨頭和初創(chuàng)公司來(lái)說(shuō)都將是糟糕的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。

    幸運(yùn)的是，每當(dāng)摩爾定律被唱衰將走到盡頭，總會(huì)激發(fā)出科學(xué)家和工程師們創(chuàng)新構(gòu)想，提出力挽狂瀾的突破性技術(shù)，將看似走向終結(jié)的摩爾定律一再推向遠(yuǎn)方。

    基于小芯片的模塊化設(shè)計(jì)，正是其中解決成本問(wèn)題的一個(gè)極為關(guān)鍵的構(gòu)想。

    小芯片的三大價(jià)值：開(kāi)發(fā)快、成本低、功能多

    當(dāng)前芯片設(shè)計(jì)模式常從不同IP供應(yīng)商購(gòu)買軟核IP或硬核IP，再結(jié)合自研模塊集合成一個(gè)片上系統(tǒng)（SoC），然后以某個(gè)制造工藝節(jié)點(diǎn)生產(chǎn)出芯片。

    而小芯片通過(guò)先進(jìn)封裝技術(shù)，能將多種不同架構(gòu)、不同工藝節(jié)點(diǎn)、甚至來(lái)自不同代工廠的專用硅塊或IP塊集成在一起，可以跳過(guò)流片，快速定制出一個(gè)能滿足多種功能需求的超級(jí)芯片產(chǎn)品。

    相比單片芯片，小芯片帶來(lái)的好處是多重的。

    首先，小芯片開(kāi)發(fā)速度更快。

    在服務(wù)器等計(jì)算系統(tǒng)中，電源和性能由CPU核心和緩存支配。通過(guò)將內(nèi)存與I／O接口組合到一個(gè)單片I／O芯片上，可減少內(nèi)存與I／O間的瓶頸延遲，進(jìn)而幫助提高性能。

    其次，小芯片的研發(fā)成本更低。

    因?yàn)樾⌒酒怯刹煌男酒K組合而成，設(shè)計(jì)者可在特定設(shè)計(jì)部分選用最先進(jìn)的技術(shù)，在其他部分選用更成熟、廉價(jià)的技術(shù)，從而節(jié)省整體成本。

    例如，AMD第二代EPYC服務(wù)器處理器Ryzen采用小芯片設(shè)計(jì)，將更先進(jìn)的臺(tái)積電7nm工藝制造的CPU模塊與更成熟的格羅方德12／14nm工藝制造的I／O模塊組合，7nm可滿足高算力的需求，12／14nm則降低了制造成本。

    這帶來(lái)的好處是，7nm制程部分的芯片面積大幅縮減，而采用更成熟制程的I／O模塊有助于整體良率的提升，進(jìn)一步降低晶圓代工成本。綜合來(lái)看，CPU核心越多，小芯片組合的成本優(yōu)勢(shì)越明顯。

    最后，小芯片能靈活滿足不同功能需求。

    一方面，小芯片方案具備良好的可擴(kuò)展性。例如構(gòu)建了一個(gè)基本die后，可能只用一個(gè)die可應(yīng)用于筆記本電腦，兩個(gè)可應(yīng)用于臺(tái)式機(jī)，四個(gè)可應(yīng)用于服務(wù)器；另一方面，小芯片可以充當(dāng)異構(gòu)處理器，將GPU、安全引擎、AI加速器、物聯(lián)網(wǎng)控制器等不同處理元素按任意數(shù)量組合在一起，為各類應(yīng)用需求提供更豐富的加速選擇。

    隨著小芯片的優(yōu)勢(shì)逐漸顯露，它正被微處理器、SoC、GPU和可編程邏輯設(shè)備（PLD）等更先進(jìn)和高度集成的半導(dǎo)體設(shè)備采用。

    根據(jù)研究機(jī)構(gòu)統(tǒng)計(jì)，微處理器是小芯片最大的細(xì)分市場(chǎng)，支持小芯片的微處理器市場(chǎng)份額預(yù)計(jì)從2018年的4．52億美元增長(zhǎng)到2024年的24億美元。同時(shí)，計(jì)算領(lǐng)域?qū)⒊蔀樾⌒酒闹饕獞?yīng)用市場(chǎng)，今年有望占據(jù)小芯片總收入的96％。

    市場(chǎng)預(yù)測(cè)

    據(jù)市場(chǎng)研究認(rèn)為，“小芯片”正被更高級(jí)和高度集成的半導(dǎo)體設(shè)備采用。例如，微處理器（MPU），片上系統(tǒng)（SOC）設(shè)備，圖形處理單元（GPU）和可編程邏輯設(shè)備（PLD），尤其MPU是最受歡迎的。即使僅計(jì)算依靠MPU 這個(gè)細(xì)分市場(chǎng)的“小芯片”市場(chǎng)，到2024年也能達(dá)到24億美元。

    “小芯片”將在未來(lái)4年內(nèi)成為集成了圖形、安全引擎、人工智能（AI）加速、低功耗物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的應(yīng)用處理器，這將是其58億美元市場(chǎng)的最重要因素。

    據(jù)業(yè)內(nèi)相關(guān)人士分析說(shuō)： “從軟件開(kāi)發(fā)人員到系統(tǒng)設(shè)計(jì)師，再到技術(shù)投資者，幾十年來(lái)，每個(gè)人都依賴摩爾定律所規(guī)定的兩年時(shí)間表。隨著小芯片的到來(lái)，半導(dǎo)體業(yè)務(wù)和依賴小芯片的業(yè)務(wù)現(xiàn)在有機(jī)會(huì)回到慣常的發(fā)展速度，這種速度為整個(gè)科技行業(yè)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。”