“搭积木”,能否给中国芯片蹚出新路?

2023-01-18 0 7
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产业竞争,标准先行。

比如在汽车芯片领域,2022年7月,相关行业机构就发布了包含15项标准的《汽车芯片标准体系建设研究成果》。而在Chiplet芯片技术上,2022年12月,《小芯片接口总线技术要求》团体标准(T/CESA 1248-2023)也正式通过工信部中国电子工业标准化技术协会的审定并发布,成为中国首个原生Chiplet标准。

毕竟,只有建立完善的标准体系,产业上游的芯片设计才有标准可依,下游才能根据需求选用相应标准的芯片,否则上下游衔接就会出现断层、割裂,甚至导致产业体系依赖国外标准。

芯片产业覆盖领域广,不仅每个细分领域都会有对应的标准,在芯片上下游的诸多环节,同样有许多标准。但由于美国的打压,全球分工配合、顺畅运行的全球化半导体产业链在已经被事实上拆散。未来存在极大不确定性,如何保持供应链稳定?如何打造自主标准体系?

特别是在“后摩尔时代”,先进制程的工艺迭代越来越慢、良率越来越低、成本越来越高,而先进封装技术正起到越来越大的作用。像搭积木一样,把特定功能的芯片裸片(die)集成封装在一起的Chiplet技术,就正在成为整个芯片产业争夺制高点的重要技术。

Chiplet技术是一种芯片内的互连技术,所有互连类技术,都需要标准。只有通过标准才能实现互连类技术的落地,并降低互连类技术的应用成本,只有标准统一,才能让更多芯片之间实现互连互通,而掌握标准制定的企业则能通过规则和协议的方式控制产业发展导向,牢牢占据市场“蛋糕”最大的份额 ,能够制订标准的国家可以通过标准制订的方式,近一步规范化市场的竞争,并做大产业蛋糕。国家间芯片技术和芯片产业发展水平,关系到国家的竞争力和信息安全。

在通信技术2G跨入3G之时,中国自主3G标准曾大放异彩。随着中国版Chiplet标准的发布,Chiplet技术如何助力中国本土产业弯道超车?中国企业在Chiplet技术上产业化程度如何?在美国仍主导芯片产业链且同样押注Chiplet技术之下,Chiplet中外接口标准之争背后,中国如何掌握标准制定的话语权, 从而为中国集成电路的产业发展探索新路?

01中美Chiplet技术标准博弈

Chiplet技术通过缩小单个计算芯粒的面积,在提升产能的同时也提高了良率,降低了芯片制造的硅片成本。阿里达摩院近日也将Chiplet作为底层突破引起的“范式重置”,列为2023十大科技趋势之一,并认为“在后摩尔时代,Chiplet可能是突破现有困境最现实的技术路径”。Chiplet技术能够降低对先进工艺的依赖,在某些特定场景下实现与先进工艺接近的性能,重构芯片研发流程:从制造到封测,从EDA工具到IP设计,全方位影响芯片产业格局

作为模块化芯片堆叠技术,在2015年的ISSCC大会上,美国芯片设计企业Marvell创始人周秀文首次提出MoChi(Modular Chip,模块化芯片)架构概念,并在同年推出Chiplet架构处理器。处理器巨头AMD公司则率先将Chiplet应用于商业产品中,将芯片的CPU与I/0等不同功能的裸片(die)封装在一起,其发布于2017年的第一代Epyc服务器处理器Naples、发布于2019年的第二代EPYC处理器Rome等,都是多芯片模块的典型产品。

2022年3月,英特尔、AMD、ARM、高通、台积电、三星、日月光、谷歌、Meta(Facebook)、微软十家行业巨头共同成立了Chiplet标准联盟,正式推出了通用Chiplet的高速互连标准“Universal Chiplet Interconnect Express”,简称“UCIe”,旨在定义一个开放的、可互操作的标准,用于将多个Chiplet通过先进封装的形式组合到一个SoC中。

UCIe1.0标准定义了芯片内互连物理层、链路层等,并在上层支持了PCIe、CXL两种成熟的芯片间高速互连标准。这也使得来自不同来源的芯片进行封装更加有据可依,推动了云计算、半导体制造、OSAT、IP供应商和芯片设计者等多方业态的交叉创新。

在互连接口和封装技术上,Chiplet标准联盟的目标是打造全球统一的标准。实际上,也有部分中国企业加入Chiplet标准联盟。UCIe联盟白皮书显示,UCIe联盟成员共分为三个级别,分别是发起人、贡献者和采用者,发起人由董事会组成并具有领导作用,贡献者和发起者公司可以参与工作组,而采用者只能看到最终规范并获得知识产权保护,联盟目前仅开放后两个会员级别申请。

如今的UCIe联盟当中,尽管已经拥有包括阿里巴巴、芯原、芯耀辉、芯和半导体、芯动科技等十多家国内半导体企业参与,但大多停留在贡献者和采用者的层面,由于参与权限不高,国内企业在联盟标准的制定等核心工作方面的整体缺乏话语权。

实际上,有专业人士就表示,从PCIe到CXL、AIB到UCIe,实现参考设计所需要的技术细节,在标准协议内很难找到;标准的不少细节还被美国相关组织告知“不能对中国企业开放”

由此可见,UCIe标准当中,不仅大多数都是针对台积电和英特尔等核心成员的专供,而且标准方面国内企业仅能作为贡献者而参与和存在,并不具备与核心成员联合制定标准的权限,这无疑将极大的削弱中国半导体产业在Chiplet国际标准制定上的话语权。

在先进芯片工艺制程上,我们在短期内难以缩短与国际芯片巨头的差距、且领先者困于“摩尔定律”放缓也难以进一步拉大差距的僵持之下,更需要借助封装技术上的创新,一点点缩短我们与领先者之间的距离。

也许,弯道超车谈不上,但好歹能够打破僵局,中国企业借助拥有自主创新、自主标准的先进封装技术,在成熟制程工艺下实现接近先进制程制造的芯片性能。

在打造自主Chiplet标准上,中国相关行业协会也在着手规划,如2022年12月,由中国集成电路领域相关企业和专家共同主导制定的《小芯片接口总线技术要求》团体标准,就正式通过工信部中国电子工业标准化技术协会的审定并发布。而早在2021年6月,由中国计算机互连技术联盟(CCITA),围绕chiplet小芯片和微电子芯片光I/O成立了2个标准工作组,并在工信部中国电子工业标准化协会立项两项团体标准。这在中国历史上是第一次由中国专家完全主导完成计算机系统和芯片类的相关技术标准制定。

中国计算机互连技术联盟(CCITA)秘书长,中国小芯片标准主要发起人人郝沁汾告诉亿欧,在国内研发先进制程遭受多重阻挠的大背景下,企业对打造中国版Chiplet技术标准的诉求是比较强烈的,很多国内厂商都希望应用Chiplet技术,并有积极性去推动这一技术的标准化。当然,中国Chiplet标准更偏重本土化的需求,与UCIe并不是互相取代,目前CCITA也在考虑和Intel UCIe在物理层上兼容,以降低IP厂商支持多种Chiplet标准的成本。

中国版Chiplet标准描述了CPU、GPU、人工智能芯片、网络处理器和网络交换芯片等应用场景的小芯片接口总线技术要求,通过对链路层、适配层、物理层的详细定义,实现在小芯片之间的互连互通,并兼顾了PCIe等现有协议的支持,总连接带宽最高可达1.6Tbps。中国小芯片设计标准不但可以使用国际先进封装方式,也可以充分利用国内封装技术积累,可以灵活应对不同的应用场景以及不同能力的技术供应商。如此,中美两个版本的Chiplet技术标准都已经小有雏形,下一步比拼的,就是谁的市场适用范围更广,谁的产品更有竞争力。

从先进制程芯片制造到先进封装技术标准(Chiplet不仅限于封装,也涉及芯片设计),在中美对峙的大背景下,半导体产业链中,谁会是获利的渔翁?谁又会是殃及的池鱼?

02从标准到产业化,通信标准对Chiplet的启发

作为产业链强势者,英特尔、AMD不会是池鱼,但也未必是渔翁。反倒是三星与台积电这对冤家,或许会分别扮演这两个角色。

作为标准制定者,英特尔、AMD均在最新产品用上Chiplet技术。2022年11月,AMD发布新一代旗舰GPU RX 7000系列,采用RDNA3架构。AMD CEO苏姿丰更是称其为全球第一款“Chiplet”游戏GPU。而在刚刚闭幕的CES2023上,英特尔宣布全球首发了第四代至强可扩展服务器处理器Sapphire Rapids,最高可达60核120线程,采用Chiplet技术;AMD也发布了混合13 个芯粒、拥有 1460 亿个晶体管的Instinct MI300 加速器。

在面对美国众多强势芯片企业进入Chiplet技术领域的背景下下,也有行业人士认为,在UCIe标准之外,再另起炉灶自建一套技术标准意义不大。毕竟,UCIe标准在参与企业上已经具有比较广泛的代表性。

但西方企业越是先进,我们就更应该借助市场优势去争夺标准定义权。毕竟,从1G到5G,中国在通信技术领域与西方的博弈,中国通信制式技术标准逆袭就是鲜活的示例。

在2G时代,国际上有三大通信标准:欧盟GSM、美国CDMA和日本PHS,中国还没有资格成为玩家。而三方竞争,谁能一统天下?决定权却在中国这一全球最大通信市场。中国选择了GSM,推动GSM成为全球的主流标准,而美日的2G标准也逐渐走向衰落。

到了3G、4G时代,中国终于有了自己主导的TD-SCDMA和TD-LTE标准。特别3G标准TD-SCDMA,从2000年TD-SCDMA标准被国际电信联盟正式确定为3G国际标准之一,到TD-SCDMA产业联盟成立,再到2006年启动终端测试,一步步奠定了通信产业自主化的基础。

而我们能畅享5G的背后,也离不开技术标准上的主导权。在4G到5G的转折点上,中国企业主推的Polar码成为信令信道编码方案,美国企业主推的LDPC成为数据信道编码方案,中国才终于有了可与欧美并驾齐驱的通信技术主导权。

3G时代中国自主通信技术标准的意义,甚至不下于5G,由于我们掌握了技术与标准的话语权,故而我们逐步地从无到有建设起了我国企业为主导的移动通信产业链和创新链。在1G、2G阶段,我国虽有全球规模最大的市场,但由于我们不主导技术标准,产业化滞后于海外发达国家厂商,大量的利润被外企赚走。在中国三种技术制式竞争的3G市场上,TD-SCDMA是唯一一个不需要向海外公司缴纳高额专利费的技术,大大促进了我国终端企业的发展。

而且不谈理论参数只考虑实际体验,相比2G仅有十几KB/s的下载速度,3G的下载速度确实拥有百倍的提升;但5G在体验上并没有实现相对4G百倍的提升。

从1G到5G,移动通信制式标准已超越了其原有内涵,不再仅是技术活动中需要统一协调的事项准则,而成为决定技术演进趋势、影响前沿产业生态,乃至国家核心竞争力和创新能力的关键性因素。通信技术历次标准之争同样对中国芯片产业的发展有启发,因为技术标准背后代表的是国家核心竞争力和创新能力的竞争,是国家竞争的一种高级形式。

无锡芯光集成电路互连技术产业服务中心副主任张杰告诉亿欧,建立中国Chiplet技术标准,是中国不得不做的选择。跟3G时代的标准之争很类似——如果国家全盘照搬国外成熟的协议标准,从专利、知识产权等角度,必然需要国内企业缴纳高昂的“入门费”,也无从建立中国自己的Chiplet产业生态。

毕竟,天下不可能有“免费的午餐”,采用国外标准而放弃建立自己的Chiplet产业生态,可能会轻松一时,但最终大部分利益还是要被英特尔、AMD等抢去,国内企业更大可能是停留于低端而难以冲击高端市场。

03Chiplet是否给国产IP带来机会

不同功能芯粒的拼搭,本质上就是不同芯片IP的拼搭。这也意味着,IP厂商的机会。据IPnest的数据,2021年全球芯片IP前十大公司占据了79.8%的市场份额,且ARM公司一家就占据全球40.4%份额。在前十芯片IP设计公司中,芯原股份位列第七,是唯一的中国公司。

但国内芯片设计企业较多,IP企业仍较少。据证券时报报道,A股仅有芯原股份和国芯科技两家公司有一定规模对外授权芯片IP的业务。2021年,芯原股份和国芯科技通过芯片IP授权带来的收入分别为7.06亿元和8799万元。

其实,几年前寒武纪在IP授权业务上因华为大客户而拥有较大影响力。数据显示,2017-2019年,寒武纪对华为海思IP授权业务收入为771万元、1.17亿元、6877万元。大客户变动之后,寒武纪选择自研云边端AI芯片,其2021年11月发布的云端AI芯片思元370集成了390亿个晶体管,最大算力高达256TOPS(INT8),并且是国内首款采用 Chiplet技术的 AI 芯片。

在一块芯片上置入多个die模块的Chiplet技术,虽然有着众多优点,但也会面临很多技术难题,比如封装技术与生产工艺、EDA 工具链、片上互连(NoC)或 Interposer 上互连、芯粒间接口与协议标准化、芯粒模块可靠性验证、芯粒间的通信速度等等。如何实现低功耗、低延时、超高带宽?这既需要标准制定者能够纳入更多企业参与研讨,也需要企业自身具有强于他人的研发壁垒。

对于芯片IP公司来说,Chiplet技术带来的机会更大可能是卖Chiplet成品而非卖IP。这种商业模式的变化,不仅仅是从虚的知识产权交易变成实物交易,更意味着半导体产业链上下游配合、供应链的升级。

对于Chiplet产业链来说,直接使用商业化IP或者晶圆代工厂的标准单元库,通过尽可能多地组合功能以覆盖更多垂直需求,也将有助于扩大Chiplet市场。

在1965年摩尔定律提出时,其实摩尔也同时提出了Chiplet技术的源头概念——Heterogeneous Integration(异构异质集成)。但受限于当年的技术条件,很多时候往往是在PCB板上实现不同芯片的“集成”。

从集显到核显的概念演变,就能够看到PCB方案与SoC的区别。集显是将显卡集成在PCB主板,成本低,但PCB因为自身通信带宽不足,往往会成为系统性能的瓶颈,是21世纪初期低端笔记本电脑的常见配置;核显则是将显示核心与CPU等组合成一片SoC,通信效率更高,还有助于降低公号,性能相比PCB方案有较大提升,是目前主流轻薄本的常见配置。而Chiplet技术则介于PCB方案与SoC方案之间,成本低于后者,性能又远高于前者。

以小尺寸SoC为代表的摩尔定律,早已进入停滞阶段,主流电脑处理器进入3纳米制程会远远落后于台积电投产时间。但以Chiplet技术为代表的的扩展摩尔(More than Moore),则大有可为,不仅会给IP厂商带来新机遇,更会带动整个半导体产业的新变化,促进芯片设计、封装的交融配合。

技术、标准、市场,中国2023年的Chiplet发展,有非常多值得期待的点。技术与市场的多样性需要标准的规范,而标准规范之后的技术也更能适应需求多样性的市场中,且在实践中进一步完善标准制定。

就以自动驾驶领域对芯片的需求为例,由于L1到L5不同级别的自动驾驶需求,需要芯片为各类车辆提供不同级别的处理能力,处理不同的系统接口,多模芯粒的结构就比单片SoC更适合。同时,随着自动驾驶级别的不断提升,大量视觉数据、雷达数据等需要在传感器与芯粒间高速传递,汽车大算力芯片对芯片接口、封装的标准化也提出更高要求。

Chiplet将会给IP厂商、自动驾驶等领域带来更多机遇。不过,Chiplet并不是芯片产业的救世主——先进封装工艺可以弥补先进制程的部分不足,但并不能取代先进制程。中国半导体产业的突围战,在后道工艺创新之外,前道工艺的齐头并进同样不可或缺。

本文来自微信公众号 “亿欧网”(ID:i-yiou),作者:陈俊一,编辑:常亮。

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