Chiplet异构集成的市场应用现状

Chiplet异构集成在当前市场呈现出快速发展的态势。从市场规模来看，其增长前景十分可观。据TFSECURITIES预计，2024年Chiplet的市场规模将达到58亿美元，到2035年则会超过570亿美元，展现出迅猛的增长势头。计算Chiplet市场的收入预计将从2024年的435亿美元增长至2030年的1449亿美元，年复合增长率高达31%。

在产业链方面，各个环节都积极参与其中。在IP设计环节，像芯原股份基于Chiplet架构设计了高端应用处理器平台；在先进封装环节，长电科技作为国内先进封装龙头，通富微电利用次微米级interposer以TSV将多芯片整合于单一封装；封测设备环节有华峰测控提供设备；IC载板环节的兴森科技，其ABF载板的高速传输特性匹配Chiplet芯片高算力要求；还有华海诚科作为环氧塑封料稀缺标的，有望受益于先进封装和Chiplet发展。

目前，AMD、英特尔、IBM、英伟达和台积电等行业领军企业已经积极开始采用Chiplet技术，并且其应用范围不断扩大。例如在高性能计算领域，许多企业利用Chiplet异构集成来提升计算性能，以满足不断增长的高性能计算需求。同时，消费电子领域，包括智能手机、笔记本电脑和可穿戴设备等，也对Chiplet技术有广泛的应用前景，预计到2033年，消费电子领域将在Chiplet市场中占据超过26%的份额。

此外，随着人工智能、数据中心、汽车等行业对高性能计算需求的不断增长，Chiplet异构集成的应用也越来越受到重视。例如在汽车领域，随着汽车智能化的发展，对芯片的高性能、低功耗、高可靠性等要求不断提高，Chiplet异构集成技术能够满足这些需求，从而在汽车电子系统中得到应用，如汽车的自动驾驶系统、智能座舱系统等都有可能采用Chiplet异构集成芯片。

Chiplet异构集成的热门应用领域

一、人工智能领域

人工智能的发展对芯片的计算能力提出了极高的要求。Chiplet异构集成技术能够将不同功能、不同制程的芯片集成在一起，从而实现高性能计算。例如，将专门用于神经网络计算的芯片芯粒与负责数据存储和预处理的芯粒集成，可以大大提高人工智能芯片的整体性能。一些AI芯片制造商利用Chiplet技术，可以在不依赖最先进制程的情况下，实现与先进制程相接近的性能，降低了成本的同时提高了开发效率。像北极雄芯发布的国内首款基于异构Chiplet集成的智能处理芯片“启明930”，中央控制芯粒采用RISC - V CPU核心，同时可通过高速接口搭载多个功能型芯粒，可用于AI推理、隐私计算、工业智能等不同场景，其自研NPU在主流AI模型应用上的平均算力利用率超70%。

二、数据中心领域

数据中心需要处理海量的数据，对芯片的算力、存储、带宽等方面都有很高的要求。Chiplet异构集成可以灵活组合不同的芯粒来满足这些需求。比如将高算力的计算芯粒和大容量的存储芯粒集成在一起，提高数据处理速度。而且，数据中心对成本比较敏感，Chiplet技术可以通过采用不同制程的芯粒，在保证性能的前提下降低成本。目前，数据中心是Chiplet应用需求较大的领域，甚至有机构预测2024年Chiplet数据中心应用占有率会达到40%，实际占有率可能远超这个数字。

三、汽车领域

随着汽车向智能化、电动化发展，汽车电子系统变得越来越复杂，对芯片的可靠性、安全性、高性能等要求也日益提高。Chiplet异构集成技术可以将不同功能的芯片集成在一个封装内，满足汽车电子系统多方面的需求。例如，将负责汽车动力系统控制的芯片芯粒、自动驾驶相关的计算芯粒以及汽车娱乐系统的芯片芯粒等集成在一起，可以减少芯片的体积，提高系统的集成度和可靠性。一些车规级芯片制造商开始采用Chiplet技术来提升产品的竞争力，以适应汽车行业快速发展的需求。

四、消费电子领域

在消费电子产品如智能手机、笔记本电脑和可穿戴设备中，空间和功耗是非常重要的考虑因素。Chiplet异构集成技术可以在有限的空间内集成更多的功能，并且通过合理组合不同制程的芯粒来优化功耗。例如在智能手机中，可以将应用处理器、图形处理器、基带芯片等以Chiplet的形式集成在一起，提高手机的性能，同时降低功耗，延长电池续航时间。预计到2033年，消费电子领域在Chiplet市场中所占份额将超过26%，这表明其在该领域有着广阔的应用前景。

Chiplet异构集成市场应用的未来趋势

一、生态系统走向开放与互操作

随着越来越多厂商采纳UCIe（Universal Chiplet Interconnect Express，通用小芯片互连通道）标准，其影响力逐渐扩大，围绕UCIe会形成一个更加开放、互联的生态模式。目前，英特尔、AMD和Arm等联合发布了UCIe标准，旨在构建一个完整且兼容的Chiplet生态系统。未来，不同供应商的Chiplet能够更容易地实现封装内的互联，这将促进各厂商之间的合作与互操作性，推动整个行业向前发展。例如，阿里云作为UCIe的成员，在UCIe的生态建设和推广方面做了大量工作，并且与上下游伙伴密切合作，致力于实现更加开放且稳定的芯片供应链模式。

二、技术创新推动性能提升

在AI技术快速发展的背景下，系统集成的密度和带宽密度不断增加。例如，系统互联技术将从当前的112G进一步发展到224G，在Chiplet层面，UCIe标准也在向48G甚至64G演进，带宽密度越来越高。基于玻璃基板的3D集成应用可能会比预想的更快普及，这些新技术将为Chiplet设计和制造带来新的可能性。此外，异构集成将朝着单芯片、百万级别的连线，还有功能完整的形态发展，这将进一步提升Chiplet芯片的性能，满足未来对高性能计算的需求。

三、应用范围不断拓展

从目前主要应用在高性能计算相关领域，如服务器处理器芯片、人工智能加速芯片、通信芯片、车规级芯片、移动与桌面处理器芯片、晶圆级处理器芯片等，未来Chiplet异构集成的应用范围将进一步拓展到更多的行业和领域。随着各行各业数字化转型的加速，对芯片性能、成本、功耗等方面的要求不断提高，Chiplet异构集成技术凭借其优势，有望在更多的场景中得到应用，如物联网、工业控制、医疗设备等领域。

四、成本与性能的进一步优化

Chiplet异构集成技术将在成本与性能的平衡上不断优化。在成本方面，通过采用不同制程的芯粒，可以降低对先进制程的依赖，从而减少芯片的制造成本。同时，Chiplet技术可以提高量产良率，进一步降低量产成本。在性能方面，通过异构集成不同功能的芯粒，可以实现更高的计算性能、更低的功耗以及更好的可靠性。例如，相比SoC，Chiplet至少可以降低20% - 30%的研发成本，并且可以显著提高量产良率，综合来看降低了芯片的研发和量产成本。

不同行业中Chiplet异构集成的应用案例

一、工业设计领域 - 江苏长电科技股份有限公司案例

在工业设计领域，长电科技的Chiplet异构集成技术有着创新的应用。现代集成电路制造工艺面临瓶颈时，Chiplet技术将不同工艺节点和不同材质的芯片通过先进的集成技术封装集成在一起，形成一个系统芯片。长电在2021年7月推出的XDFOI全系列极高密度扇出型封装解决方案，线宽或线距最小可达到2μm的同时，可实现多层布线层，集成多颗芯片、高带宽内存和无源器件。该技术在系统成本、封装尺寸具有一定优势，可以应用于工业、通信、汽车、人工智能等多个领域。此外，长电已加入UCIe产业联盟，共同致力于Chiplet核心技术突破和成品创新发展。通过这些方式，Chiplet异构集成在工业设计领域实现了突破传统SoC制造面临的诸多挑战（掩膜规模极限和功能极限等），从而大幅提高芯片的良率，有利于降低设计复杂度、设计成本及芯片制造成本，并且继承了SoC的IP可复用特点，进一步开启了半导体IP的新型复用模式，缩短芯片上市时间。

二、人工智能领域 - 北极雄芯案例

北极雄芯深耕Chiplet领域多年，发布了国内首款基于异构Chiplet集成的智能处理芯片“启明930”。这款芯片中央控制芯粒采用RISC - V CPU核心，同时可通过高速接口搭载多个功能型芯粒，基于国产基板材料以及2.5D封装，做到8 - 20T的算力灵活拓展，支持主流AI算子，平均利用率达到75%以上。可用于AI推理、隐私计算、工业智能等不同场景，目前已与多家AI下游场景合作伙伴进行测试。北极雄芯源于清华大学交叉信息研究院，其核心研发团队拥有丰富的经验，以清华大学交叉信息研究院在人工智能及前沿架构领域的探索为牵引，从芯片架构底层将各场景需求中的通用模块与专用模块解耦，分别设计制造小芯粒并集成，可支持不同制程模块的互联，并且针对全国产封装供应链进行了优化，有效缓解各行业算力需求方在性能、成本、迭代周期、供应链保障等各方面的核心痛点。

三、汽车领域 - 潜在应用案例

在汽车领域，随着汽车智能化程度的不断提高，自动驾驶、智能座舱等功能对芯片性能和可靠性提出了更高的要求。虽然没有明确提及某一特定的成功应用案例，但从需求角度来看，Chiplet异构集成技术有着很大的应用潜力。例如，将负责汽车自动驾驶功能中的传感器数据处理芯片芯粒、决策计算芯片芯粒与负责智能座舱娱乐系统、车辆安全监控系统等不同功能的芯片芯粒通过异构集成技术封装在一起，可以提高汽车电子系统的集成度和可靠性，同时满足不同功能对芯片性能的要求。这样可以减少芯片的体积，降低布线复杂度，提高汽车电子系统的整体性能，并且在成本控制方面也有一定的优势，适应汽车行业对成本较为敏感的特点。

Chiplet异构集成市场应用的挑战与机遇

一、挑战

（一）设计方面

1. 复杂度增加

• Chiplet异构集成需要将不同功能、不同制程的芯片集成在一起，这使得芯片设计的复杂度大大增加。设计师需要考虑各个芯粒之间的兼容性、互联性等问题。例如，不同芯粒可能采用不同的接口标准，如何实现这些芯粒之间的高效互联是一个挑战。而且，在设计过程中要确保各个芯粒之间的协同工作，避免出现性能瓶颈或者功能冲突等问题。

2. 测试和验证困难

• 目前的测试流程基本上是把所有Chiplet放在一起作为一个整体来做的，但如果要实现一个off - the - shelf的Chiplet市场模式，单个Chiplet的测试验证工作需要做得更加完备。这意味着需要开发新的测试方法和工具，来确保每个芯粒在集成之前都是符合要求的。例如，在测试过程中，如何准确检测出每个芯粒的性能、功能是否正常，以及是否存在潜在的缺陷等问题是比较困难的。

（二）成本方面

1. 封装成本

• Chiplet芯片需基于先进封装，其封装成本较SoC有所提升。传统封装约占据芯片量产成本10%，而先进封装则普遍要占到30%甚至更多。这是因为先进封装技术更为复杂，例如在实现不同芯粒的集成时，可能需要采用特殊的封装工艺，如2.5D或3D封装，这些封装工艺的设备投入、材料成本等都比较高。

（三）生态方面

1. 缺乏成熟商业模式

• Chiplet带来了范式的改变，使得芯片的最终用户可以参与到整个芯片规格的制定过程中，这是对传统芯片设计的一个重大变化。然而，目前还缺少一种成熟的商业模式或制作模式。例如，在Chiplet的供应、采购、集成等环节，如何建立合理的价格体系、质量保证体系以及合作模式等都是需要解决的问题。

2. 标准兼容性

• 虽然UCIe等标准在推动Chiplet的互联方面起到了重要作用，但目前仍然存在不同标准之间的兼容性问题。例如，在物理层之间等方面，不同Chiplet标准之间可能存在差异，这会影响不同供应商的Chiplet之间的互联和互操作性。

二、机遇

（一）技术突破

1. 延续摩尔定律

• 在摩尔定律逐渐失效的情况下，Chiplet异构集成技术为芯片性能提升提供了新的途径。它可以突破传统单芯片的上限，进一步提高芯片的集成度。例如，通过将复杂SoC芯片分成更小的芯片，可以提升复杂SoC芯片的良率，降低芯片设计成本。因为单芯片的面积越大其良率越低，对应的芯片制造成本也就越高，而Chiplet技术将大芯片切割成小芯片，可以有效应对这一问题。

2. 满足高性能计算需求

• 随着人工智能、数据中心、汽车和消费电子产品等行业对高性能计算的需求不断成长，Chiplet异构集成技术能够满足这些需求。它可以灵活组合不同功能、不同制程的芯粒，实现高性能计算。例如在数据中心处理海量数据时，通过将高算力的计算芯粒和大容量的存储芯粒集成在一起，可以提高数据处理速度，适应高性能计算的需求。

（二）产业发展

1. 推动产业链变革

• Chiplet技术涉及从上游IP、EDA、设计到中游制造，再到下游封测等整个半导体产业链的革新。例如在IP设计环节，会催生新的IP需求，如die - to - die接口IP和部分测试IP；在封装环节，提升了先进封装在半导体产业的价值和地位，并且由于Chiplet对先进封装的需求显著，使得封装环节的毛利率提高。这有助于推动整个半导体产业链的升级和发展。

2. 国产半导体发展机遇

• 在当前国际形势下，我国半导体产业发展在晶圆制造、封装、设备及材料等各环节面临诸多掣肘，Chiplet架构更是成为我国半导体产业未来发展的破局点。我国企业可以通过发展Chiplet技术，在芯片设计、封装等环节发挥自身优势，实现弯道超车。例如，我国一些企业已经在Chiplet技术的研发、应用方面取得了一定的成果，如北极雄芯发布了国内首款基于异构Chiplet集成的智能处理芯片，长电科技在Chiplet异构集成的工业应用方面有创新等。

先进芯片封装清洗介绍

·          研发的水基清洗剂配合合适的清洗工艺能为芯片封装前提供洁净的界面条件。

·         水基清洗的工艺和设备配置选择对清洗精密器件尤其重要，一旦选定，就会作为一个长期的使用和运行方式。水基清洗剂必须满足清洗、漂洗、干燥的全工艺流程。

·         污染物有多种，可归纳为离子型和非离子型两大类。离子型污染物接触到环境中的湿气，通电后发生电化学迁移，形成树枝状结构体，造成低电阻通路，破坏了电路板功能。非离子型污染物可穿透PC B 的绝缘层，在PCB板表层下生长枝晶。除了离子型和非离子型污染物，还有粒状污染物，例如焊料球、焊料槽内的浮点、灰尘、尘埃等，这些污染物会导致焊点质量降低、焊接时焊点拉尖、产生气孔、短路等等多种不良现象。

·         这么多污染物，到底哪些才是最备受关注的呢？助焊剂或锡膏普遍应用于回流焊和波峰焊工艺中，它们主要由溶剂、润湿剂、树脂、缓蚀剂和活化剂等多种成分，焊后必然存在热改性生成物，这些物质在所有污染物中的占据主导，从产品失效情况来而言，焊后残余物是影响产品质量最主要的影响因素，离子型残留物易引起电迁移使绝缘电阻下降，松香树脂残留物易吸附灰尘或杂质引发接触电阻增大，严重者导致开路失效，因此焊后必须进行严格的清洗，才能保障电路板的质量。

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