2021年03月15日 | 技术科普：Chiplets 简史

在2009年的ISSCC上，英特尔展示了许多与其Nehalem处理器相关的论文。英特尔在片上系统(SoC)开发上投入了大量精力。Core i7 Nehalem设计将内存控制器和DDR3 I/O与CPU核心一起放到一个公共衬底上。当时，英特尔表示，他们将目光投向传统的个人电脑市场以外，要进入更热门的移动市场。可以看出，“英特尔不再是一个放之四海而皆准的公司。”

由此，SoC和系统级封装(SiP)倡导者之间的一场大战打响了。英特尔一直专注于封装集成，而德州仪器则在大力发展SoC。其他公司在这一领域的地位要高于这两家老牌公司。戈登•摩尔(Gordon Moore)的公司以及他的定律诞生地当时就已经在考虑比摩尔(MTM)更多的东西了。

英特尔的嵌入式多模互连桥(EMIB)的Chiplets与2.5D硅插入器的比较

一段时间以来，将集成电路设计分解成更小的硅片和芯片的想法一直受到关注。就英特尔而言，他们并没有放弃SoC的理念，而是继续消除“一刀切”的标签。从EMIB到他们在最先进的异构集成原型(SHIP)计划中的核心角色，英特尔似乎不会被抛在后面。采用更专业的芯片设计的多样化设计，与英特尔一样适合于任何其他公司，无论是像AMD这样的直接竞争对手的EPYC，还是有着完全不同市场需求的供应商。

在2009年ISSCC的报道中，人们预测基于对SoC的重新关注，英特尔将准备好进入移动领域。但其实并不然。快进一步，像英特尔这样的公司对大数据时代和人工智能加速器更感兴趣。2015年，英特尔收购了一家FPGA公司(Altera)，这有助于维护英特尔在数据中心的领土，因为云计算推动了技术和市场的快速发展。

新名词的出现

在这一过程中出现了新的名词，比如异构集成。

总的来说，异质集成是一个用来推销MTM的术语，它是一种保持创新和工业经济朝着正确方向发展的方法。最初的术语是异构集成技术(HIT)。ASE组将其截断为HI。

IEEE甚至用它的异构集成路线图(HIR)创造了一个新的代名词。

接下来是多芯片模块(MCM)。由于多个模组组装在一个共同的封装衬底上，这些可能比混合的异质性更少。但一些功能，甚至多种材料系统集成电路，例如硅和砷化镓，被收集到这些平台。

在我看来，MCM意味着在一个共同的基板上出现多个单独的集成电路芯片。这是产生新术语的里程碑。

在MCM技术被引入几十年后的今天，MCM仍然很重要。随着更新技术的出现，如通过硅过孔(TSV)和与硅内插件的2.5D集成，一个超越摩尔的战略将行业推向3D IC。在这一领域最有影响力的产品是所谓的高带宽内存(HBM)。由美光和三星联合开发的混合内存立方体(HBC)产品使用了最新的TSV方法，将多个DRAM芯片堆叠在他们的控制器上。

ASE组对HI的解释是：将一组不同的die收集到单个系统内封装SiP中。这是Chiplets概念的一个明显表现。

Chiplets如何登上舞台

Chiplets 的概念最早源于1970 年代诞生的多芯片模组，标准解释：即是由多个同质、异构等较小的芯片组成大芯片，也就是从原来设计在同一个SoC 中的芯片，被分拆成许多不同的小芯片分开制造再加以封装或组装。

由于先进制程成本急速上升，不同于SoC 设计方式，将大尺寸的多核心的设计，分散到较小的小芯片，更能满足现今的高效能运算处理器需求；而弹性的设计方式不仅提升灵活性，也能有更好的良率及节省成本优势，并减少芯片设计时程，加速芯片Time to market 时间。

使用Chiplets 有三大好处。因为先进制程成本非常高昂，特别是模拟电路、I/O 等愈来愈难以随着制程技术缩小，而Chiplets 是将电路分割成独立的小芯片，并各自强化功能、制程技术及尺寸，最后整合在一起，以克服制程难以微缩的挑战。此外，基于Chiplets 还可以使用现有的成熟芯片降低开发和验证成本。

目前已有许多半导体业者采用Chiplets 方式推出高效能产品。像英特尔的Intel Stratix 10 GX 10M FPGA 便是采用Chiplets 设计，以达到更高的元件密度和容量。该产品是以现有的Intel Stratix 10 FPGA 架构及英特尔先进的EMIB技术为基础，运用了EMIB 技术融合两个高密度Intel Stratix 10 GX FPGA 核心逻辑芯片以及相应的I /O 单元。至于AMD 第二代EPYC 系列处理器也是如此。有别于第一代将Memory 与I/O 结合成14 纳米CPU 的Chiplet 方式，第二代是把I/O 与Memory 独立成一个芯片，并将7 纳米CPU 切成8 个Chiplets 进行组合。

Chiplets真正的增长始于2019年。

谷歌趋势是有用的，对专利数据库的搜索显示，早在1969年就使用了Chiplets这个词。

虽然，Chiplets的早期用法并不是我们所理解的“异构集成”的意思。早期的Chiplets与液晶显示器的驱动芯片有关。如果你仔细观察过任何比手机大的显示屏，你就会明白这一点。无论是附着在面板玻璃上的柔性基板上还是直接附着在面板上，都有许多又高又瘦的液晶柱驱动芯片附着在每个大型液晶面板上。

从趋势术语的角度来看，在合理数量的专利申请将会让这个术语更加普及。从这个意义上说，Chiplets在2010年加快了步伐。值得注意的是，一些涉及显示技术的实体和发明者仍然代表着与芯片相关活动一部分。然而，对于SIP异构集成来说，IBM、GlobalFoundries和Intel是最活跃的公司。

根据市场研究公司Omdia预测，在制造流程中采用Chiplets的处理器芯片全球市场预计将从2018年的6.45亿美元扩大至2024年的58亿美元。不到10年时间，增长9倍之多，可见，Chiplets技术被寄予厚望，其市场潜力发展前景诱人。

台积电更是认为，Chiplets将是未来10到20年最重要的发展成果。由于它将功能分解成一块一块进行设计和制造，这使得每一个Chiplets可以被设计得尽可能小，从而增加其良率，并最小化成本。目前，越来越多的半导体器件都开始采用Chiplets技术，如微处理器（MPU）、图形处理器（GPU）以及可编程逻辑器件（PLD）等，尤其是MPU，它需要一直采用最尖端的技术从而保持其竞争力。

总之，过去的芯片效能都仰赖半导体制程的改进而提升，但随着元件尺寸越来越接近物理极限，芯片微缩难度越来越高，要保持小体积、高效能的芯片设计，半导体产业不仅持续发展先进制程，同时也朝芯片架构着手改进，让芯片从原先的单层，转向多层堆叠。也因如此，先进封装也成为改善摩尔定律的关键推手之一，在半导体产业中引领风骚。

不管你喜不喜欢，" Chiplets "已经在兴起。