摩尔定律失效，Chiplet技术被“寄予厚望”

在探讨Chiplet技术(小芯片)之前，摩尔定律是绕不开的话题。戈登·摩尔先生在1965 年提出了摩尔定律：每年单位面积内的晶体管数量会增加一倍，性能也会提升一倍。这意味着，在相同价格的基础上，能获得的晶体管数量翻倍。不过，摩尔先生在十年后的1975年，把定律的周期修正为24个月。至此，摩尔定律已经影响半导体行业有半个世纪。

图片来源：芯耀辉

随着集成电路技术的不断演进，半导体行业发现摩尔定律在逐渐失效。上图右上部分是英特尔x86 CPU 1970-2025年的演化历史，可看出每颗芯片的晶体管数量持续增加(右上深蓝色线条)，但时钟速度(右上天蓝色线条)和热设计功耗(右上灰色线条)自2005年之后就变化不大。于此同时，受先进工艺高成本支出的影响，晶体管成本降幅在2012年后趋缓，甚至越往后还有成本增加的趋势。

从上图右下的统计数据可看出，芯片制程在持续微缩和演进，晶体管数也在相应的增长。在2019年以前，单芯片晶体管数量和工艺几何尺寸演进，一直与摩尔定律高度相关。因为单位面积内的晶体管数量，每一周期就会增加一倍，所以在理想情况下，Die的尺寸可保持不变。但是据右下绿色标识的区域显示，可以看到单芯片Die尺寸在日趋增大，这也从另一个角度说明，单芯片晶体管数量的增加，也有Die增大的原因所致。由于Die尺寸的增长，受光罩尺寸、工艺良率等因素制约，这代表通过加大Die Size来提升单芯片算力已经越来越困难。

总而言之，随着集成电路技术的发展和演进，每24个月已经很难让单位面积内的晶体管数量翻倍。这意味着，现在芯片性能的提升遭遇了瓶颈，性能无法单纯由工艺技术驱动，也需要由架构创新来驱动。因此，业界必须找到新的解决方案。

基于Chiplet技术的芯片结构示意 图源：英特尔

在摩尔定律逐渐失效的情况下，Chiplet技术在半导体行业应运而生。整体来看，Chiplet具备高集成度、高良率、低成本三大特点，它被视为延续摩尔定律的关键技术。

Chiplet技术并不是创新概念，它很早就被提出来了，只是市场应用需求没有发展到这一步，因此长期处于“隐身”状态。Chiplet通常被翻译为“芯粒”或“小芯片”。单从字面意义上可以理解为更为“粒度更小的芯片”。通过半导体制造将若干“芯粒”集成，而非纯粹封装集成，以此形成复杂功能芯片，可以突破单芯片光刻面积的瓶颈，突破设计周期制约等。

举例来说，在一颗7nm制程芯片中，一些次要的模块可以用如22nm的制程做成Chiplet，再“拼装”至7nm芯片上，原理如同搭积木一样，这样可以减少对7nm工艺制程的依赖。

Chiplet技术相关的半导体国内企业包括大港股份、芯原股份、中京电子、同兴达、苏州固锝、中富电路、朗迪集团、晶方科技、长电科技、通富微电、华天科技、华峰测控等。

Chiplet技术优势

Chiplet可以把传统的单芯片设计方案改成多芯片（Die）进行设计，并利用先进封装工艺进行集成。它的优势主要有以下几点：

1、提升芯片制造良率，由于良率和芯片的面积有关，面积越大，良率大概率会越低，因此，把一个大芯片分拆成多个小芯片（Die）设计并分别投片，就可以提高良率，良率提升，还可以降低制造成本。

2、以不同的工艺实现一颗芯片，用先进制程制造CPU等计算核心，用相对成熟的制程制造I/O之类的功能块，可以很好地控制整体成本。

3、设计更加灵活，设计出的Die，通过不同的组合方式，可设计出不同功能的芯片。

Chiplet技术经过发展，国际上出现了一些Chiplet标准，主流标准包括XSR、BOW、OpenHBI、UCIe。虽然有这么多好处，但Chiplet技术并不成熟，各种Die、接口I/O、总线等，与常规的SoC有很大区别，需要制定统一的标准，从而使产业链上的设计、制造、封装等厂商能按照标准操作，才能实现高效、规模化生产。因此，UCIe和ACC 1.0等行业规范相继推出。

Chiplet面临的挑战

虽然Chiplet优点很多，同时也面临着很多问题，会阻碍其发展，例如：

一，应用场景，并不是所有应用类型的芯片都适合做Chiplet，目前来看，CPU、GPU等处理器最适合做Chiplet，而且是在高性能应用领域，像智能手机等消费类电子设备用的芯片，很少需要采用Chiplet设计；

二，成本，只有传统SoC成本达到一定量级，改用Chiplet设计才划算；

三、良率问题；

四、测试问题。

近期，中国成立了自己的Chiplet（小芯片，或芯粒）联盟，由多家芯片设计，IP，以及封装、测试和组装服务公司组成，同时推出了相应的互连接口标准ACC 1.0。

在美国打压，中国寻求半导体产业链关键环节自主可控的当下，这一联盟的成立，颇有与由AMD、Arm、英特尔、台积电和ASE（日月光）主导的UCIe联盟分庭抗礼的意味。

从技术层面来看，Chiplet的价值和发展前景已经在全球半导体界达成普遍共识。总体而言，Chiplet有很好的应用和发展前景，但它不是中国半导体业冲刺国际先进水平的灵丹妙药。要想提升全行业竞争力，还是要有决心和毅力，秉持十年磨一剑的精神，全方位发展本土半导体材料、设备、IP、设计和制造水平。