给Chipet算一笔账

本文转自：半导体行业观察

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如今，Chiplet的价格昂贵且稳定性差，这引发了人们对如何控制和降低成本的疑问。如果Chiplet要充分发挥其潜力，这些问题必须得到解决。

然而，这些因素并非目前Chiplet发展的主要驱动力，Chiplet的发展得益于涌入数据中心的大量资金。我们需要关注对成本敏感的市场，例如消费品和汽车行业，才能确定其经济效益是否最终可行。

假设你将一块大型单芯片分割成 10 个不同的Chiplet。假设单芯片上的某些功能需要昂贵的制程工艺，但通过分割Chiplet以尽可能缩小先进制程芯片的尺寸，可以提高良率并降低成本。

其他九个芯片单元大概会采用其他成本更低的制程节点，因为这些节点的良率更高。但先进制程节点带来的成本节约也伴随着一个问题：现在需要10个掩模，而不是1个；需要处理10片不同的晶圆，而不是1片。虽然它们的良率应该都会更高，但当制造、测试、老化和其他步骤都乘以10时，这是否能抵消最初的成本节约呢？

例如：

现在你需要10片起始基片而不是一片，但大多数情况下价格会更低。“随着衬底材质的改变，晶圆的价格越来越贵，” Microtronic首席营销官Mike LaTorraca指出。

一些不太显眼的步骤，例如检测，将会增加。“检测工具的拥有成本是基于晶圆检测次数计算的，”Microtronic的应用总监Errol Akomer解释说，“所以，如果你需要检测10片晶圆而不是1片，成本就会上升。”

而且，需要更多工作的不仅仅是运行这个工具。“你实际上还得创建10个新的检测方案，”Microtronic公司总裁Reiner Fenske补充道。

需要注意的是，经济性比较通常是将Chiplet与单个芯片进行比较。但也可以把元件从PCB上移到封装内，这在理论上就是DRAM（例如HBM）所采用的方法。

Synopsys产品营销总监Marc Swinnen提醒道：“人们在谈论多芯片技术的优势时存在一些误解，因为他们没有统一的比较对象——单芯片还是PCB。”他举例说：“例如，有人声称3D-IC的功耗低于PCB，这在与PCB相比时是正确的，但在与单芯片相比时则不然。还有人声称Chiplet能够带来更高的产品灵活性和多工艺实现，这在与单芯片相比时是正确的，但在与PCB相比时则不然。”

对最初前提的结论很简单：“事情并非如此。”换句话说，是的，基于这个前提，确实需要进行一些数学计算。似乎没有人认为这是一个显而易见的答案，所以问题本身并不愚蠢。真正受到质疑的是前提本身。

斯温宁表示：“你的分析只有在多Chiplet件可以被单个单芯片替代的情况下才有效。而这种情况通常不会发生。即使从技术上讲，Chiplet和单芯片之间的选择是可行的，但制造成本只是决定最佳战略选择的众多因素之一。”

联电市场总监严曲对此表示赞同。“采用Chiplet架构而非传统单芯片设计的理由远不止经济因素，”他说道，“如果大型单芯片能够在单次工艺中集成所有必需的功能，包括逻辑、存储器、I/O、电源管理和光子学，同时还能保持合理的良率，那么Chiplet架构今天就不会存在了。”

这些数字比乍看之下要复杂得多。“如果只看掩模组的成本，成本似乎非常惊人，”瞿先生说。“2nm节点的单套掩模组成本可能是65nm节点的30倍。然而，在Chiplet设计中，设计人员可以将昂贵的先进节点的使用限制在最关键的功能上，同时复用IP模块，并利用成本较低的节点来实现其他功能。虽然Chiplet可能需要多套掩模组，但由于良率的提高以及Chiplet可以在不同设计中复用，总体成本反而会更低。”

分析芯片经济效益并非新鲜事。事实上，这项工作早在多年前就开始了。“摩尔在他的原始论文中就预测，硅芯片的发展方向必然如此，”英特尔晶圆代工高级首席工程师帕姆·富尔顿说道。

目前受到质疑的并非经济效益是否可行，而是经济因素是否正在驱动决策。我们知道，就目前而言，对于数据中心人工智能引擎的设计而言，经济因素的影响相对较小。但这能持续多久呢？

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数据中心的工作原理

将整体式芯片拆分的前提有点本末倒置。并非是设计人员有什么可以用大型芯片实现的功能，只是成本太高。而是设计人员想要实现的功能对于受限于光刻槽尺寸的芯片来说已经过大了。而这些功能可能足以覆盖多个光刻槽尺寸的芯片。

英特尔晶圆代工先进封装总监卢克·加德纳表示：“开发人员希望制造出相当于六个光刻掩模的硅片。然后他们会将这些硅片拆分并分配到他们的SerDes芯片、内存接口以及所有其他组件中。”

并非这种功能整体实现成本过高，而是根本无法整体实现。因此，问题就变成了如何将这个庞大的功能拆分成易于管理、易于制造的小模块。而这些小模块本身可能也很大，这与芯片体积小的固有印象相悖。

“你不会看到非常非常小的芯片，而是看到相当大的芯片，”加德纳说。

这个过程也涉及到我们一直在讨论的那种经济数学，只不过结果会引发不同的决策。问题不再是“采用Chiplet是否更便宜？”，而是“这一切成本都很高，那么哪种方式成本最低？即便如此，成本是否仍然过高？”

“总的来说，开发人员会进行计算，然后他们会想，‘好吧，结果还不错，’”加德纳说。

Chiplet策略是否可行，需要考虑诸多因素。其中一个显而易见的优势在于，在规划产品系列时，Chiplet能够实现低成本的扩展，只需复制一个或多个Chiplet，即可为一系列产品增加功能或容量。我们可以在CPU SKU（库存单元）中看到这种现象，随着每一代处理器的发布，SKU数量都会成倍增长。不同之处在于，大多数情况下，这些SKU适用于数据中心以外的各种计算设备。

富尔顿指出：“如果你是一家通用CPU厂商，拥有大量不同的SKU（通过组合芯片实现）确实有意义。但云服务提供商在构建巨型数据中心时不会这样做，因为他们不会生产同一产品的多个SKU。他们只会生产一种，然后用它填满整个机房。”

所以，Chiplet的混搭对数据中心来说并不是一个优势。

对数据中心而言，最重要的是在既定的功耗范围内实现最佳功能。芯片和设备的价格高得惊人，因此掩盖了许多在其他市场会十分显著的经济问题。并非巧合的是，目前所有Chiplet的开发活动都集中在这个领域。

在经济效益更为重要的领域，“边缘计算”又如何呢？这里我们说的不仅仅是占据主导地位的人工智能热潮。手机、汽车、笔记本电脑、各种小工具——所有这些都需要计算（当然，可能也需要一些人工智能）。越接近消费者，单芯片架构就越占主导地位。除了处理器SKU之外，几乎所有东西都是单芯片的。

微控制器 (MCU) 就是一个经典的例子。从设计理念上讲，它们非常适合采用芯片封装技术。MCU 制造商通常会为不同的应用提供大量的配置。同一系列的 MCU 单元，其计算能力可能相同，但内存和外设却各不相同。这听起来像是芯片封装技术的完美应用场景：与其制造所有这些单芯片，不如制造一系列芯片封装单元，并将它们组合在先进的封装中。

这就是问题所在。先进封装技术成本高昂。没错，各种芯片都需要多片晶圆，但这些成本可以分摊到它们所应用的众多不同产品中。如今，消费者的定价策略无法承受先进封装技术带来的高昂成本。

因此，从经济角度来看，目前这类系统并不支持使用Chiplet。

这种情况会改变吗？首先，我们可以预期，先进封装技术以及Chiplet所依赖的其他技术将在未来几年内逐步积累生产经验。这将进一步降低盈亏平衡成本。

“虽然先进的封装技术——对于集成芯片至关重要——确实会带来额外的成本和技术挑战，但随着技术的成熟，这些成本正在稳步下降，”瞿先生说。“随着时间的推移，我们可以预期先进的封装技术将变得更加经济实惠和普及，从而进一步提升基于芯片方案的整体优势。”

但成本能否下降到足以刺激消费者使用的程度？这一点目前尚不清楚。

另一个显而易见的问题就是人们梦寐以求的芯片市场。我们都见过人们在展望这个行业潜力时眼中闪烁的光芒，他们认为这个行业能够激发新的设计，并使先进封装技术的普及化。但从经济角度来看，情况就不同了。为市场开发芯片的人不太可能去计算封装中所有用于单一功能的芯片的成本，以此来评估它们在实际应用中的价格竞争力。

芯片供应商通常会关注某个他们认为能够创造差异化价值的功能。例如，一个包含USB电路的特定芯片可能适用于多种应用。因此，并没有一个可以简单地用“是”或“否”来回答的Chiplet合。

这些Chiplet的购买者需要自行考虑经济因素。他们将决定第三方Chiplet的“合理”市场价格。该价格可能因系统而异。Chiplet设计者需要确定其产品能够覆盖的价格区间以及适用的系统。其经济原理与上述相同，只是成本分散到所有Chiplet客户身上，而不是集中在一个封装中。

“如果真的发展到开放式芯片时代，那么就不会出现一个人因为要把芯片分成十份而支付十倍价格的情况了，”加德纳说。“A公司为16个客户生产第一块芯片，成本由他们分摊，而不是任何一个客户独自承担全部成本。”

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一切都与市场息息相关

因此，我们最终还是回到了芯片市场这个话题上。关于其可行性，众说纷纭。用于2.5D集成到中介层的通用芯片比用于3D集成的芯片更容易成功，因为对于2.5D来说，只需要就海岸线达成一致即可。而对于3D来说，则必须对整个封装尺寸（包括凸起）进行标准化。这使得差异化和行业整合的空间更小。

“要让六个不同的参与方就完整的芯片尺寸达成一致，我觉得根本不可能，”加德纳说。“你会看到更多像EMIB（英特尔的芯片桥接互连）或其他2.5D解决方案那样的情况，在这些方案中，（六个参与方）只需要就5毫米的海岸线达成一致即可。”

相关标准正在制定中，但许多流程和标准都局限于封装层面，而过去封装通常只包含一个芯片。现在情况有所不同，但这会影响到一些原本标准化的幕后流程步骤。

“如果我只卖芯片而不是整个产品，该如何进行老化测试呢？”富尔顿问道，他只是谈到了其中一个步骤。“是在晶圆级进行老化测试，还是必须让负责封装的厂商来完成？他们是在产品级进行老化测试吗？所有的规格都是从产品和封装级编写的，而不是从芯片级编写的（但这并不意味着它们不能从芯片级编写……）。”

此外，这种市场模式似乎更侧重于供应商的推动，而非客户的拉动。“大多数对推广芯片感兴趣的客户都是那些能够自行完成集成的客户，”富尔顿解释道。“客户的拉动仍然主要依赖于那些大型公司。无需太多集成工作就能自由组合搭配的模式目前还不存在。”

如今，经济因素固然重要，但它并非芯片行业发展的驱动力。随着成本的下降，这种情况可能会发生改变，芯片将有机会进入以经济效益为首要考量的市场。剩下的问题是成本能否下降到足够低的水平，以及市场是否最终能够形成。但至少，经济因素将在决定产品种类和生产方式时重新占据主导地位。

（来源：编译自semiengineering）