芯片厂商从SoC架构转向Chiplet

诞生50几年来，摩尔定律一直是半导体行业的主要推动力。当我们谈论摩尔定律时，所谈的不仅是一项晶体管数量相关的经验法则，更是一本为行业公认的经济账，一种足以驱动各大芯片制造商未来产品战略的方法论。

片上系统（SoC）作为完美践行了这一法则的模范架构，在多年中帮助很多企业在商业上取得了巨大的成功。但在进入10nm制造节点之后，SoC的量产成本逐渐突破了市场所能承受的极限，其市场表现也与当初的预测愈行愈远。当然，摩尔定律也并非一成不变，它需要有更符合未来创新需求的灵活商业模式，以适应更长时间的增长。在这样的趋势中，越来越多的芯片厂商开始从SoC架构转向Chiplet。

SoC：良率之下的成本危机

在半导体行业，良率已经成了与制程同等重要的行业性难题，生产大型SoC之所以难以为继，核心原因就是良率降低引起的硬件成本飙升，全球三大半导体代工厂无不为良率困扰。谁赢得了良率，谁就会赢得未来。简单的说，芯片良率就是晶圆上合格芯片数量与芯片总数的比值，这个数值越大，说明有用芯片数量越多，浪费越少，成本越低，利润越高。芯片尺寸和制程都会直接影响良率。与面积较小的芯片相比，大型单一芯片更容易出现不可逆转的缺陷。以台积电5nm工艺晶圆测试为例，18mm²芯片的平均良率约为80%，而100mm²芯片的良率则会骤降至32%。 先进工艺的发展也会进一步引发良率的挑战。随着工艺节点不断缩小，足以引发芯片严重问题的缺陷尺寸也越来越小。例如，对于45nm制造节点，＜9nm的缺陷是可接受的，但对于5nm制造节点，仅仅1nm的缺陷就可能让芯片报废。此外，随着制造工艺提升，光刻技术的制造成本也越来越高，从而增加了成本。

增加芯片尺寸的芯片成本变化，先进工艺节点上的芯片制造的良率问题，已成为全球三大代工厂的竞争焦点。三星基于GAA结构的3nm制程芯片正式进入量产，由于其良率未能达到预期，其晶圆代工业务饱受争议（有消息称，三星3nm工艺良率仅在10%到20%之间）。此外，英特尔原计划于2021年底上市的7nm芯片，也因工艺存在缺陷，导致良率下降，发布时间推迟6个月。无法停步的良率危机表明半导体行业已经达到了一个临界点，而 Chiplet就是下一个阶段的答案。

Chiplet成本方程①

面积减法，良率提升

传统的SoC通常将多个负责不同类型计算任务的计算单元，通过光刻的形式制作到同一块晶圆上。而Chiplet将复杂芯片拆解成一组具有单独功能的小芯片单元die，再通过die-to-die将模块（Top dies）芯片和底层基础（Base die）芯片封装组合在一起，减少整个芯片面积，以提升良率。 通过使用与SoC相同的标准光刻程序，芯片制造商可以用同样的晶圆生产出更多面积更小，良率更高的Chiplet，并进行单独的KGD（Known good die）测试，重新组装并封装到完整的芯片中。对于与SoC情况相同的故障分布，Chiplet上因缺陷导致的废弃约为SoC的4分之1。

 

AMD EPYC  AMD最早在其第一代 EPYC 数据中心处理器重采用了Chiplet方案，“基于AMD内部良率模型和使用成熟工艺的缺陷密度数据，我们估计四个chiplet设计的最终成本仅为单片架构的约0.59。”  

Chiplet成本方程②

制程加法，良率提升

除了良率问题，先进制程的费用也是制约芯片成本的一大因素。传统的SoC，所有模块都需要在相同工艺节点下制作。然而，并非所有芯片都适用于先进制程。例如，射频前端作为模拟芯片，其特征尺寸的缩小并不能带来性能的提升，在先进制程下，单位芯片成本不降反升。在Chiplet架构中，不同的模块可以被拆解出来，通过更适合的工艺节点来制造。如在运算核心采用先进制程，射频前端等模块采用成熟制程。设计师还可以将大型SRAM存储器从计算逻辑芯片中拆分出来，优化其制程，能带来更好的整体性能指标提升。由此可以大幅减少芯片对先进制程的依赖，从而降低芯片的量产成本。

不久的将来，芯片制造商将有望从不同代工厂处采购不同工艺、甚至不同材质生产的标准化Chiplet，快速把它们组装成一个SoC级的大芯片，以进行最终验证和测试，就像今天SoC设计师从不同供应商那里采购IP一样。  

Chiplet成本方程③

设计难度减法，IP硬核复用

在芯片开发中，制造商不仅要面临与芯片尺寸和工艺节点提升带来的成本挑战，芯片的设计成本也在不断上涨。芯片设计成本通常包含工程师的人力成本、EDA等开发工具、设备、场地、IP等费用。 研发一款传统SoC芯片，需要设计出芯片上的所有模块，不但设计周期漫长，设计费用也居高不下。而Chiplet架构中，芯片在设计层面被分为核心芯粒和非核心芯粒两部分，客户可以直接向第三方公司采购非核心芯粒，从而简化芯片设计难度，提高设计成功率并缩短设计周期。此外，这些成熟的Chiplets，基于KGD（已知良品芯片）设计，可广泛复用于其他芯片中，在保证良率的前提下继续提升单颗芯片性能。

Chiplet成本方程④

上市周期减法

设计周期与上市时间息息相关。在激烈的市场竞争中，仅仅有一个好产品是不够的，企业必须要竭尽所能缩短上市周期，以确保竞争优势。相比传统SoC原型设计之后“一个也不能少”的软硬件协同验证、后端与物理设计、流片制造、封装测试全流程，Chiplet是一个已经走完了设计、制造、测试流程的成品小裸片，仅需要做一次封装就可以使用起来。通过组合现有KGD与可配置硬件，针对应用提供定制化解决方案，Chiplet可以在保障、提升芯片性能的情况下，满足快速TTM需求（Time to market），帮助企业在竞争中赢得优势。    

芯片研发已然成了全球最昂贵的赛道，从芯片架构到工艺制程再到设计模式，每一个潜在变量都会引发最终成本的雪崩。Chiplet的出现，给SoC主导多年却日渐式微的半导体行业开辟了一条新的通道。而这条新路的出现绝非偶然，它是行业巨头们耗费多年精力，在芯片功耗、性能、成本、上市周期几者间找到的绝佳平衡，是为了让行业赖以生存的经济规律持续下去积极为之的变化。从SoC走向Chiplet，不是为放弃，是为了让摩尔定律涅槃重生。

 

审核编辑：郭婷