本文轉(zhuǎn)自：半導(dǎo)體行業(yè)觀察

如今，Chiplet的價格昂貴且穩(wěn)定性差，這引發(fā)了人們對如何控制和降低成本的疑問。如果Chiplet要充分發(fā)揮其潛力，這些問題必須得到解決。

然而，這些因素并非目前Chiplet發(fā)展的主要驅(qū)動力，Chiplet的發(fā)展得益于涌入數(shù)據(jù)中心的大量資金。我們需要關(guān)注對成本敏感的市場，例如消費品和汽車行業(yè)，才能確定其經(jīng)濟效益是否最終可行。

假設(shè)你將一塊大型單芯片分割成 10 個不同的Chiplet。假設(shè)單芯片上的某些功能需要昂貴的制程工藝，但通過分割Chiplet以盡可能縮小先進制程芯片的尺寸，可以提高良率并降低成本。

其他九個芯片單元大概會采用其他成本更低的制程節(jié)點，因為這些節(jié)點的良率更高。但先進制程節(jié)點帶來的成本節(jié)約也伴隨著一個問題：現(xiàn)在需要10個掩模，而不是1個；需要處理10片不同的晶圓，而不是1片。雖然它們的良率應(yīng)該都會更高，但當(dāng)制造、測試、老化和其他步驟都乘以10時，這是否能抵消最初的成本節(jié)約呢？

例如：

現(xiàn)在你需要10片起始基片而不是一片，但大多數(shù)情況下價格會更低?！半S著襯底材質(zhì)的改變，晶圓的價格越來越貴，” Microtronic首席營銷官Mike LaTorraca指出。

一些不太顯眼的步驟，例如檢測，將會增加?！皺z測工具的擁有成本是基于晶圓檢測次數(shù)計算的，”Microtronic的應(yīng)用總監(jiān)Errol Akomer解釋說，“所以，如果你需要檢測10片晶圓而不是1片，成本就會上升。”

而且，需要更多工作的不僅僅是運行這個工具?！澳銓嶋H上還得創(chuàng)建10個新的檢測方案，”Microtronic公司總裁Reiner Fenske補充道。

需要注意的是，經(jīng)濟性比較通常是將Chiplet與單個芯片進行比較。但也可以把元件從PCB上移到封裝內(nèi)，這在理論上就是DRAM（例如HBM）所采用的方法。

Synopsys產(chǎn)品營銷總監(jiān)Marc Swinnen提醒道：“人們在談?wù)摱?a target="_blank">芯片技術(shù)的優(yōu)勢時存在一些誤解，因為他們沒有統(tǒng)一的比較對象——單芯片還是PCB?！彼e例說：“例如，有人聲稱3D-IC的功耗低于PCB，這在與PCB相比時是正確的，但在與單芯片相比時則不然。還有人聲稱Chiplet能夠帶來更高的產(chǎn)品靈活性和多工藝實現(xiàn)，這在與單芯片相比時是正確的，但在與PCB相比時則不然。”

對最初前提的結(jié)論很簡單：“事情并非如此?！睋Q句話說，是的，基于這個前提，確實需要進行一些數(shù)學(xué)計算。似乎沒有人認(rèn)為這是一個顯而易見的答案，所以問題本身并不愚蠢。真正受到質(zhì)疑的是前提本身。

斯溫寧表示：“你的分析只有在多Chiplet件可以被單個單芯片替代的情況下才有效。而這種情況通常不會發(fā)生。即使從技術(shù)上講，Chiplet和單芯片之間的選擇是可行的，但制造成本只是決定最佳戰(zhàn)略選擇的眾多因素之一。”

聯(lián)電市場總監(jiān)嚴(yán)曲對此表示贊同?！安捎肅hiplet架構(gòu)而非傳統(tǒng)單芯片設(shè)計的理由遠(yuǎn)不止經(jīng)濟因素，”他說道，“如果大型單芯片能夠在單次工藝中集成所有必需的功能，包括邏輯、存儲器、I/O、電源管理和光子學(xué)，同時還能保持合理的良率，那么Chiplet架構(gòu)今天就不會存在了?！?/span>

這些數(shù)字比乍看之下要復(fù)雜得多?！叭绻豢囱谀＝M的成本，成本似乎非常驚人，”瞿先生說。“2nm節(jié)點的單套掩模組成本可能是65nm節(jié)點的30倍。然而，在Chiplet設(shè)計中，設(shè)計人員可以將昂貴的先進節(jié)點的使用限制在最關(guān)鍵的功能上，同時復(fù)用IP模塊，并利用成本較低的節(jié)點來實現(xiàn)其他功能。雖然Chiplet可能需要多套掩模組，但由于良率的提高以及Chiplet可以在不同設(shè)計中復(fù)用，總體成本反而會更低?！?/span>

分析芯片經(jīng)濟效益并非新鮮事。事實上，這項工作早在多年前就開始了?！澳栐谒脑颊撐闹芯皖A(yù)測，硅芯片的發(fā)展方向必然如此，”英特爾晶圓代工高級首席工程師帕姆·富爾頓說道。

目前受到質(zhì)疑的并非經(jīng)濟效益是否可行，而是經(jīng)濟因素是否正在驅(qū)動決策。我們知道，就目前而言，對于數(shù)據(jù)中心人工智能引擎的設(shè)計而言，經(jīng)濟因素的影響相對較小。但這能持續(xù)多久呢？

數(shù)據(jù)中心的工作原理

將整體式芯片拆分的前提有點本末倒置。并非是設(shè)計人員有什么可以用大型芯片實現(xiàn)的功能，只是成本太高。而是設(shè)計人員想要實現(xiàn)的功能對于受限于光刻槽尺寸的芯片來說已經(jīng)過大了。而這些功能可能足以覆蓋多個光刻槽尺寸的芯片。

英特爾晶圓代工先進封裝總監(jiān)盧克·加德納表示：“開發(fā)人員希望制造出相當(dāng)于六個光刻掩模的硅片。然后他們會將這些硅片拆分并分配到他們的SerDes芯片、內(nèi)存接口以及所有其他組件中?！?/span>

并非這種功能整體實現(xiàn)成本過高，而是根本無法整體實現(xiàn)。因此，問題就變成了如何將這個龐大的功能拆分成易于管理、易于制造的小模塊。而這些小模塊本身可能也很大，這與芯片體積小的固有印象相悖。

“你不會看到非常非常小的芯片，而是看到相當(dāng)大的芯片，”加德納說。

這個過程也涉及到我們一直在討論的那種經(jīng)濟數(shù)學(xué)，只不過結(jié)果會引發(fā)不同的決策。問題不再是“采用Chiplet是否更便宜？”，而是“這一切成本都很高，那么哪種方式成本最低？即便如此，成本是否仍然過高？”

“總的來說，開發(fā)人員會進行計算，然后他們會想，‘好吧，結(jié)果還不錯，’”加德納說。

Chiplet策略是否可行，需要考慮諸多因素。其中一個顯而易見的優(yōu)勢在于，在規(guī)劃產(chǎn)品系列時，Chiplet能夠?qū)崿F(xiàn)低成本的擴展，只需復(fù)制一個或多個Chiplet，即可為一系列產(chǎn)品增加功能或容量。我們可以在CPU SKU（庫存單元）中看到這種現(xiàn)象，隨著每一代處理器的發(fā)布，SKU數(shù)量都會成倍增長。不同之處在于，大多數(shù)情況下，這些SKU適用于數(shù)據(jù)中心以外的各種計算設(shè)備。

富爾頓指出：“如果你是一家通用CPU廠商，擁有大量不同的SKU（通過組合芯片實現(xiàn)）確實有意義。但云服務(wù)提供商在構(gòu)建巨型數(shù)據(jù)中心時不會這樣做，因為他們不會生產(chǎn)同一產(chǎn)品的多個SKU。他們只會生產(chǎn)一種，然后用它填滿整個機房?！?/span>

所以，Chiplet的混搭對數(shù)據(jù)中心來說并不是一個優(yōu)勢。

對數(shù)據(jù)中心而言，最重要的是在既定的功耗范圍內(nèi)實現(xiàn)最佳功能。芯片和設(shè)備的價格高得驚人，因此掩蓋了許多在其他市場會十分顯著的經(jīng)濟問題。并非巧合的是，目前所有Chiplet的開發(fā)活動都集中在這個領(lǐng)域。

在經(jīng)濟效益更為重要的領(lǐng)域，“邊緣計算”又如何呢？這里我們說的不僅僅是占據(jù)主導(dǎo)地位的人工智能熱潮。手機、汽車、筆記本電腦、各種小工具——所有這些都需要計算（當(dāng)然，可能也需要一些人工智能）。越接近消費者，單芯片架構(gòu)就越占主導(dǎo)地位。除了處理器SKU之外，幾乎所有東西都是單芯片的。

微控制器 (MCU) 就是一個經(jīng)典的例子。從設(shè)計理念上講，它們非常適合采用芯片封裝技術(shù)。MCU 制造商通常會為不同的應(yīng)用提供大量的配置。同一系列的 MCU 單元，其計算能力可能相同，但內(nèi)存和外設(shè)卻各不相同。這聽起來像是芯片封裝技術(shù)的完美應(yīng)用場景：與其制造所有這些單芯片，不如制造一系列芯片封裝單元，并將它們組合在先進的封裝中。

這就是問題所在。先進封裝技術(shù)成本高昂。沒錯，各種芯片都需要多片晶圓，但這些成本可以分?jǐn)偟剿鼈兯鶓?yīng)用的眾多不同產(chǎn)品中。如今，消費者的定價策略無法承受先進封裝技術(shù)帶來的高昂成本。

因此，從經(jīng)濟角度來看，目前這類系統(tǒng)并不支持使用Chiplet。

這種情況會改變嗎？首先，我們可以預(yù)期，先進封裝技術(shù)以及Chiplet所依賴的其他技術(shù)將在未來幾年內(nèi)逐步積累生產(chǎn)經(jīng)驗。這將進一步降低盈虧平衡成本。

“雖然先進的封裝技術(shù)——對于集成芯片至關(guān)重要——確實會帶來額外的成本和技術(shù)挑戰(zhàn)，但隨著技術(shù)的成熟，這些成本正在穩(wěn)步下降，”瞿先生說?！半S著時間的推移，我們可以預(yù)期先進的封裝技術(shù)將變得更加經(jīng)濟實惠和普及，從而進一步提升基于芯片方案的整體優(yōu)勢。”

但成本能否下降到足以刺激消費者使用的程度？這一點目前尚不清楚。

另一個顯而易見的問題就是人們夢寐以求的芯片市場。我們都見過人們在展望這個行業(yè)潛力時眼中閃爍的光芒，他們認(rèn)為這個行業(yè)能夠激發(fā)新的設(shè)計，并使先進封裝技術(shù)的普及化。但從經(jīng)濟角度來看，情況就不同了。為市場開發(fā)芯片的人不太可能去計算封裝中所有用于單一功能的芯片的成本，以此來評估它們在實際應(yīng)用中的價格競爭力。

芯片供應(yīng)商通常會關(guān)注某個他們認(rèn)為能夠創(chuàng)造差異化價值的功能。例如，一個包含USB電路的特定芯片可能適用于多種應(yīng)用。因此，并沒有一個可以簡單地用“是”或“否”來回答的Chiplet合。

這些Chiplet的購買者需要自行考慮經(jīng)濟因素。他們將決定第三方Chiplet的“合理”市場價格。該價格可能因系統(tǒng)而異。Chiplet設(shè)計者需要確定其產(chǎn)品能夠覆蓋的價格區(qū)間以及適用的系統(tǒng)。其經(jīng)濟原理與上述相同，只是成本分散到所有Chiplet客戶身上，而不是集中在一個封裝中。

“如果真的發(fā)展到開放式芯片時代，那么就不會出現(xiàn)一個人因為要把芯片分成十份而支付十倍價格的情況了，”加德納說?！癆公司為16個客戶生產(chǎn)第一塊芯片，成本由他們分?jǐn)偅皇侨魏我粋€客戶獨自承擔(dān)全部成本?！?/span>

一切都與市場息息相關(guān)

因此，我們最終還是回到了芯片市場這個話題上。關(guān)于其可行性，眾說紛紜。用于2.5D集成到中介層的通用芯片比用于3D集成的芯片更容易成功，因為對于2.5D來說，只需要就海岸線達(dá)成一致即可。而對于3D來說，則必須對整個封裝尺寸（包括凸起）進行標(biāo)準(zhǔn)化。這使得差異化和行業(yè)整合的空間更小。

“要讓六個不同的參與方就完整的芯片尺寸達(dá)成一致，我覺得根本不可能，”加德納說?！澳銜吹礁嘞馝MIB（英特爾的芯片橋接互連）或其他2.5D解決方案那樣的情況，在這些方案中，（六個參與方）只需要就5毫米的海岸線達(dá)成一致即可。”

相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)正在制定中，但許多流程和標(biāo)準(zhǔn)都局限于封裝層面，而過去封裝通常只包含一個芯片?，F(xiàn)在情況有所不同，但這會影響到一些原本標(biāo)準(zhǔn)化的幕后流程步驟。

“如果我只賣芯片而不是整個產(chǎn)品，該如何進行老化測試呢？”富爾頓問道，他只是談到了其中一個步驟。“是在晶圓級進行老化測試，還是必須讓負(fù)責(zé)封裝的廠商來完成？他們是在產(chǎn)品級進行老化測試嗎？所有的規(guī)格都是從產(chǎn)品和封裝級編寫的，而不是從芯片級編寫的（但這并不意味著它們不能從芯片級編寫……）?！?/span>

此外，這種市場模式似乎更側(cè)重于供應(yīng)商的推動，而非客戶的拉動。“大多數(shù)對推廣芯片感興趣的客戶都是那些能夠自行完成集成的客戶，”富爾頓解釋道?！翱蛻舻睦瓌尤匀恢饕蕾囉谀切┐笮凸尽o需太多集成工作就能自由組合搭配的模式目前還不存在?！?/span>

如今，經(jīng)濟因素固然重要，但它并非芯片行業(yè)發(fā)展的驅(qū)動力。隨著成本的下降，這種情況可能會發(fā)生改變，芯片將有機會進入以經(jīng)濟效益為首要考量的市場。剩下的問題是成本能否下降到足夠低的水平，以及市場是否最終能夠形成。但至少，經(jīng)濟因素將在決定產(chǎn)品種類和生產(chǎn)方式時重新占據(jù)主導(dǎo)地位。

（來源：編譯自semiengineering）