萬能膠的成本優勢也有局限性。
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作者 | 吳優
編輯 | 包永剛
“拼接”晶片似乎已經成了晶片圈的新“時尚”。
蘋果3月的春季新品釋出會釋出了将兩塊M1 Max晶片“黏合”而成的M1 Ultra，号稱性能超越英特爾頂級CPU i9 12900K和GPU性能天花闆英偉達RTX3090。英偉達也在3月的GTC上公布用兩塊CPU"黏合”而成的Grace CPU超級晶片，預計性能是尚未釋出的第5代頂級CPU的2到3倍。
更早之前，AMD在其EYPC系列CPU中，也用到了"黏合"這一步驟，讓晶片設計成本減少一半。
自家晶片的“黏合”似乎已經不成問題，那麼能否從全球市場上挑選出性能最優的晶片黏合在一起，創造出更強大的晶片？
幾周前，能夠實作晶片互連的"萬能膠"出現了，英特爾、AMD、台積電等晶片公司聯合成立小晶片互連産業聯盟，定制UCIe 1.0（Universal Chiplet Interconnect Express）标準。
如果将同一家晶片公司的互連方式（例如英偉達的NVlink）視為隻能黏合一種材質且功能單一的膠水，那麼UCIe标準的提出則意味着能夠實作各種晶片互連的晶片萬能膠的雛形初現。
晶片萬能膠，是否已經有足夠的能力替代不斷微縮的半導體，成為摩爾定律的"續命丹"？
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「膠水」晶片時代的真起點
"膠水"晶片發展已經有一段時間了，但業内一直各自為政，由于沒有統一的接口标準，"膠水"晶片生态難建，大公司止步不前，小公司也不敢邁出第一步。
長期以來，摩爾定律的持續演進被視為晶片性能提升的主要途徑。
經曆四十多年的發展，構成晶片的半導體幾乎要縮小到原子級别，不僅面臨難以突破的實體極限問題，制程更新的投入産出比也大幅下降，業界開始尋找新的辦法提升産品性能，例如，通過改變封裝的方式提升半導體密度。
提出摩爾定律的戈登本人也意識到了封裝的重要性，他在論文中寫道："事實證明用較小的功能子產品建構大型系統可能會更經濟，這些功能子產品将分别進行封裝和互連。"
簡單來講，也就是将原先生産好的晶片內建到一個封裝中，達到減少産品開發時間和成本的目的，這些晶片子產品可以是不同工藝節點，最終通過裸片對裸片的方式連接配接在一起，這一類似于用膠水将晶片連接配接起來而形成的模型，在業内被稱Chiplet（可譯為芯粒、小晶片）模型。
多年以來，AMD、英特爾、台積電、Marvell等晶片公司已經推出了一些類似于小晶片的設計，例如，英特爾采用了稱之為Foveros的小晶片方法，推出了3D封裝的CPU平台，該封裝方式将1個10nm的處理器核心和4個22nm的處理器核心封裝內建在一起；台積電也正在開發一種被稱為內建晶片系統（SoIC）的技術。
在這些技術中，裸片對裸片的互連至關重要，即需要将一個裸片與另一個裸片"黏合"在一起，每個裸片都包含一個帶有實體接口的IP子產品，公共接口能夠讓兩個裸片形成互連。
在Chiplet初期的探索中，許多公司開發了具有專有接口的互連，實作自家晶片模型間的互連。
由于Chiplet的最終目标是在内部或多個晶片供應商中獲得優質且可互操作的晶片子產品，是以Chiplet能否進一步往前發展，取決于業内能否出現一種能将不同晶片模型連接配接起來的标準接口，也就是能夠将各種晶片子產品黏合起來的晶片"萬能膠"。
今年3月初，萬能膠UCIe終于出現，晶片的膠水時代迎來新起點。
"每個行業開放标準的落地都會引發這個行業的爆發，遵循這一産業發展規律，UCIe對Chiplet的發展意義重大，是Chiplet時代到來的重要标志。"半導體裝置公司華封科技創始人王宏波向雷峰網表示。
"Chiplet在業内推廣了很多年，一直在宣傳，但一直沒有推進産業化，很大一部分原因就是在等待标準建立。如果選擇了一個錯誤的标準，成果就得不到市場的認可，會白白浪費很多精力。"芯原股份創始人、董事長兼總裁戴偉民說道。
不過，在UCIe确立之前，業内已有各種各樣的接口類型，"萬能膠"的出現是否意味着那些曾在Chiplet領域有過探索的晶片公司們此前的努力都白費了？
王宏波認為， Chiplet隻是表示通過先進封裝的方式将不同的晶片子產品連接配接起來。"在Chiplet發展初期，各家都會根據自家的産品需求對Chiplet進行獨立的投入和研究，先各自在某些方面取得技術突破後，再彙聚成行業标準，這是正常的發展過程。"
晶方科技副總經理劉宏鈞認為，UCIe标準的制定，一定會用到部分原來已經定義過的協定、熟悉的協定，但也有一些新的标準和封裝內建方式需要重新定義，以實作更好的互操作性。“UCIe并不推翻業界之前的工作，而是将小晶片互聯的技術标準化了。"
要了解UCIe對Chiplet時代即将産生的積極作用，可以将其同PCIe進行類比，在協定層上甚至可以将UCIe了解為PCIe在縮微互聯結構上的延伸。
"之前的PCIe解決了電腦系統與周邊裝置的資料傳輸問題，UCIe解決的是小晶片和小晶片，封裝片上獨立子產品與子產品之間的資料傳輸問題，如果沒有統一的電氣信号标準，就不會形成多家企業共同完成系統內建的生态合作，如果沒有合作，入局Chiplet的單個企業就很難完成行業發展所需的生态建設。"劉宏鈞說到。
王宏波也表達了同樣的觀點，"PC時代，英特爾主導建立的x86體系就有一系列标準，例如：PCIe标準，可以讓其他家的産品能夠同英特爾的CPU分工協作，x86體系的一系列标準，建構了整個PC時代的硬體體系，到了Chiplet時代，其實是将PC時代建立生态體系的邏輯縮小複刻到晶片中，Chiplet作為一個晶片組合，也需要靠UCIe标準将不同公司的晶片設計友善的組合在一個晶片中，通過這種方式建立生态并推動整個行業向前發展。"
不過， PCIe經曆了十多年的發展才成為主流，UCIe1.0的出現隻是Chiplet時代真正到來的起點，距離Chiplet真正成為主流也還有一段路要走。即便是強大如英特爾，也需要花費大量的時間和精力才能實作量産。
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工藝實作成第一難，
工程費用無人願承擔
"事實上Chiplet的發展，最大的難度不是在協定制定上，而是在産品定義以及制造環節，統一協定和标準是為了降低研發成本和加快市場應用。"創享投資的投資總監劉淩韬向雷峰網表示。
劉宏鈞持有同樣的觀點，他認為雖然UCIe統一标準的建立為産業界指明了方向，但在具體實體層名額帶來的工藝能力要求和大規模制造環節仍然有不少挑戰，例如封裝體中多層材料的堆疊，從矽之間的堆疊到矽、有機材料、金屬等多種材料。
"将這些材料連接配接起來需要細小的引線和線寬，複雜度高，良率受制程影響大，成本也會很高。"
劉宏鈞說到。
以英特爾的EMIB為例，從英特爾所釋出的公開論文中可以發現，EMIB在工藝實作上面臨不少難題，需要進行材料和工藝的開發，其矽橋的設計工作需要由懂材料、懂封裝、懂制程和懂信号完整性的資深工程師們來共同實作。
另外，晶圓制造材料、裝置都需要進行改進，其時間和成本是除蘋果、英特爾等頭部晶片公司之外無法承受的。
不僅如此，即便是有了UCIe這晶片萬能膠，"Chiplet在哪裡"的問題也難以解決。
"UCIe之後，Chiplet面臨的是Chiplet供應商和應用商誰先邁出第一步的問題。這也是一個'雞與蛋'的問題。Chiplet供應商較為關心的是Chiplet一次性工程費用（NRE）該由誰來承擔，而應用商則擔心是否有足夠豐富的Chiplet可以應用，以及Chiplet産品的成本效益何時能最先驗證。"戴偉民說到。
正因如此，即便是有了UCIe這一标準，大家也容易停留在觀望階段，都在等待第一個吃螃蟹的人出現。"芯原正在與有意向使用Chiplet的企業積極溝通，并嘗試探索向潛在客戶'衆籌'Chiplet的方案，有望盡快打破僵局。"戴偉民補充道。
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續命摩爾定律，萬能膠晶片不萬能
抛開工藝難題，晶片萬能膠普及的關鍵在于，能否延續摩爾定律給晶片公司們更大價值。
從産業鍊角度，一方面，Chiplet作為半導體産業的技術趨勢，需要各家晶片公司都在自己的位置上做最擅長的工作，通過分工協作減少Chiplet晶片與市場需求比對的時間和周期，是以晶片公司之間的連接配接會更加緊密，另一方面，晶片萬能膠似乎正在改寫晶片公司或晶片産品的評價體系或次元。
"一直以來，最先進的前道晶圓工藝節點往往是晶片最佳性能的象征，最先進的工藝節點往往引領晶片性能發展的潮流。但到了Chiplet時代，單個先進工藝節點的競争力有可能被多晶片異構系統內建取代，異構內建能力逐漸成為評價一家晶片設計或制造公司的新标準。" 劉宏鈞補充到。
"也正因如此，英特爾主導參與了UCIe标準的建立，以期建構一個圍繞Chiplet技術的生态圈，對其IDM2.0戰略更新而言至關重要。"
值得一提的是，當先進制程對晶片性能提升的重要性程度被削弱時，對于在晶圓制造領域并不領先的中國大陸晶片産業的發展有利，尤其是中國大陸在先進封測領域位居世界前列，Chiplet時代有望占據一定優勢。
"相比先進制造，在先進封裝上，中國與國際先進水準的差距并不大，Chiplet的出現對大陸晶片産業的發展有利。"戴偉民說道。
從成本優勢的角度來看，盡管AMD、英特爾已經證明了多晶片架構具有一定的經濟性，但實際上，與微縮半導體相比，晶片萬能膠并不是在所有時候都能帶來最大的成本優勢。
清華大學交叉院博士研究所學生馮寅潇和清華大學交叉院助理教授馬恺聲發表了一篇有關Chiplet成本計算的論文，通過建立Chiplet精算師的成本模型對多晶片內建系統的成本效益進行精準評估。
結果發現，現階段的Chiplets方案隻有在800平方毫米的大晶片上才真正有收益，且工藝制程越先進，收益效果越明顯。對于5nm晶片系統，當産量達到2千萬時，多晶片架構才開始帶來回報。
戴偉民也表示，不是所有晶片都适合用chiplet的方式，不要為了拆分而拆分，不少情況下單顆內建的系統晶片（SoC), 如基于FD-SOI工藝內建射頻無線連接配接功能的物聯網系統晶片，更有價值。
”平闆電腦應用處理器，自動駕駛域處理器，資料中心應用處理器将是Chiplet率先落地的三個領域。也是解決chiplet‘雞’和‘蛋’的問題的原動力。”
也就是說，雖然Chiplet有能力延續摩爾定律，但對于絕大多數不太先進的晶片公司而言，是沒有必要早早就為晶片萬能膠買單。是以也就能夠了解，為何UCIe産業聯盟是由幾家晶片巨頭攜手共建的了。
但不可否認的是，性能、功耗和面積的更新依然是晶片界向前發展的目标，随着越來越多的終端産品開始用得起更加先進的工藝制程時，晶片萬能膠主流時代就不會再遙遠。
會有那麼一天，但晶片萬能膠的複用能力達到一定水準時，就有能力完全戰勝半導體內建了。
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