小芯片联盟成立，大陆芯片“危”？

来源：星海情报局

3月3日，全球芯片头部制造企业英特尔、AMD、ARM、Google Cloud、Meta（Facebook）、微软、高通、三星、台积电等联合宣布，成立小芯片联盟，并且推出一个全新的通用芯片互连标准：通用小芯片快连（UCle）。


该标准专为小芯片（chiplet）而设置，旨在为小芯片互连制定一个新的开放标准，简化相关流程，并且提高来自不同制造商的小芯片之间的互操作性。

该标准下，芯片制造商可以在合适的情况下混合构建芯片。

而小芯片则是当前突破摩尔定律限制的一项重要技术思路。

中国计算机协会（CCF）曾评价“芯粒（小芯片）设计技术将是未来10到20年集成电路领域最重要的发展成果之一”。

美国国防部高级研究计划局（DAPRA）在2017年8月启动“通用异构集成及IP复用策略（CHIPS）”项目，这是DAPRA总投资15亿美元的“电子复兴计划（ERI）”中的一部分，意在促成一个可兼容、模块化、可重复利用的小芯片生态系统。

知名市场研究机构Omdia预测，小芯片将在2024年全球市场规模扩大到58亿美元，较2018年的6.45亿美元增长9倍。到2035年，小芯片市场规模有望增至570亿美元。

来源：Omdia

什么是小芯片？

1965年，英特尔前任总裁Gordon Moore《电子学》（Electronics）技术期刊上发表了摩尔定律预言：当价格不变时，集成电路上可容纳的晶体管数量每隔12个月（后被修订为24个月）会增加一倍，性能也随之提升一倍。


摩尔定律的出现设定了极为关键的技术发展节奏基准，极大地推动了当时在前进中迷茫的半导体产业。

但在近几年，随着研发制造投入成本不断提高，每24个月晶体管数量翻倍的摩尔定律已经渐渐失效，毕竟在物理层面，一片小小的芯片上放不下无限多数量的晶体管，当晶体管数量趋于物理极限时，如何在此之上寻找新的突破就成为了一众芯片厂商最值得思考的问题。

当前绝大多数芯片厂商走的都是SoC（片上系统）的路子。从不同IP供应商购买软核IP或硬核IP，再结合自研模块集合成一个片上系统（SoC），然后以某个制造工艺节点生产出芯片。

SoC本质上是一种芯片的集成，例如我们常说的手机处理器，其实就是CPU、GPU等芯片的集成，也是一种SoC。


这种技术的优势在于提高模块之间通信速度的同时，还能够做到低功耗、低成本。

但近年来突破先进制程工艺的难度和成本都在不断上升。

2001年：芯片制程工艺是130nm，当时非常流行奔腾3处理器。2004年：90nm的元年。2012年：制程工艺发展到22nm，此时联电、联发科、格芯等很多厂家可以达到22nm的半导体制程工艺。 2015年：芯片制成发展的一个分水岭，进入14nm时，联电止步于此。2017年：步入10nm时代，英特尔停在了10nm，i5和i7处理器由于良率问题而迟迟无法交货。2018年：7nm来临，英特尔至今无法突破，而美国另一家芯片代工巨头“格芯”，也在7纳米处倒下。2019年：6nm开始量产。2020年：制程开始进入5nm时代，进入更难的5nm，只有三星和台积电生存下来了，但三星被爆出良品率造假。

如何突破5nm成了许多芯片厂商最大的研发瓶颈，尽管此前三星曾宣布已经实现了5nm芯片的量产，但也身陷良品率造假丑闻中。

小芯片的出现就肩负了“突破”芯片物理上线的使命。

小芯片（Chiplet）俗称芯粒，它其实就是硅片级别的重用，是一种搭积木造芯的模式，它是将一类满足特定功能的die，通过die-to-die（裸片对裸片）内部互联技术实现多个模块芯片与底层基础芯片封装在一起，形成一个系统芯片，以实现一种新形式的IP复用。

除此之外，小芯片通过先进封装技术，能将多种不同架构、不同工艺节点、甚至来自不同代工厂的专用硅块或IP块集成在一起，如此便可以跳过流片，快速定制出一个能满足多种功能需求的超级芯片产品。

在小芯片集成模组中，可以同时将使用不同的处理器节点，因此可以混合使用处理高性能任务的5纳米小芯片，以及更专注于不太严格的任务的12纳米和14纳米小芯片。

这种新型设计方法不仅能大大简化芯片设计复杂度，还能有效降低设计和生产成本。

AMD在2019年就发布了Ryzen3000系列，其中部署了基于小芯片技术的Zen2内核；英特尔则发布了集成了47个小芯片的Ponte Vecchio，都是典型的小芯片。


近几年随着头部厂商带头投入更多经历到小芯片的研发当中，小芯片技术也逐步从实验室走向实践。

小芯片联盟为何成立？

小芯片联盟的成立其实背后有两个逻辑，一个是看好小芯片本身的技术优势，二来是希望通过联盟的形式扫清小芯片前进的障碍。

前面我们提到，小芯片的一个特点在于搭积木的造芯模式，这也就意味着在芯片模块的排列组合中，设计者可根据特定的部分选用最先进的技术，而对于其他部分选择更成熟、更经济的技术，从而实现拼接式组合模块，从而降低整体成本。

例如，AMD第二代霄龙处理器、锐龙都采用了小芯片设计，将更先进的台积电7nm工艺制造的CPU模块与更成熟的格罗方德12/14nm工艺制造的I/O模块组合，使得其产品既有7nm可满足高算力的需求，12/14nm则降低了制造成本。

这带来的好处是，7nm制程部分的芯片面积大幅缩减，而采用更成熟制程的I/O模块有助于整体良率的提升，进一步降低晶圆代工成本。

综合来看，CPU核心越多，小芯片组合的成本优势越明显。

理想状态下，借助小芯片方法，芯片设计公司只需专注于自己擅长的IP，而不必担心其余IP，既有助于提升核心创新能力，又经由多种IP设计分摊了研发成本。

另一方面，小芯片方案具备良好的可扩展性。例如构建了一个基本die后，可能只用一个die可应用于笔记本电脑，两个可应用于台式机，四个可应用于服务器。

此外，小芯片可以充当异构处理器，将GPU、安全引擎、AI加速器、物联网控制器等不同处理元素按任意数量组合在一起，为各类应用需求提供更丰富的加速选择。


随着小芯片的优势逐渐显露，它正被微处理器、SoC、GPU和可编程逻辑设备（PLD）等更先进和高度集成的半导体设备采用。

但小芯片技术要走向成熟，还需要面对诸多挑战。

在小芯片技术中，采用die to die的链接方式，各裸片互连必须考虑到互连接口和协议。

在设计中必须要考虑到工艺制程、封装技术、系统集成、扩展等诸多复杂因素。同时，还需要满足不同领域对信息传输速度、功耗等方面的要求。

这使得小芯片的设计过程变得非常复杂，而其中横在小芯片面前的最大难关来自于没有统一的协议。
Marvell（美满，前迈威科技）曾经在2015年推出了MoChi架构这一小芯片模型。此后Marvell就陷入了选择接口的困难中。根据Marvell CTO Yaniv Kopelman表示，由于不想堆高封装成本或是被单个供应商绑定，他们不想使用内插器或者InFO类型的封装。

另外，使用小芯片的时候必须在中间划分IP，但在哪里划分以及如何开发架构也对最终产品的实现提出了挑战。
Yaniv Kopelman总结到：“在演示中构建IP很容易，但从演示走向生产还有很长的路要走。”

在过去很长一段时间内，小芯片一直备受芯片设计行业关注。越来越多的厂商开始使用小芯片，这使得小芯片越来越普遍。制造商们希望小芯片解决芯片制造目前面临的制造成本、扩展性等多方面的问题。

但由于缺少统一的标准，小芯片此前的协议十分混乱。

这样的情况下，芯片制造商们无法实现他们的终极构想：连通不同架构、不同制造商生产的裸片，根据不同场景进行定制。
小芯片联盟的出现正是希望通过集结各个厂商之力，推出统一的标准，规范小芯片的协议。

UCIe标准的全称为“Universal Chiplet Interconnect Express”(通用小芯片互连通道)，在芯片封装层面确立互联互通的统一标准。

UCIe 1.0标准定义了芯片间I/O物理层、芯片间协议、软件堆栈等，并利用了PCIe、CXL两种成熟的高速互连标准。

该标准最初由Intel提议并制定，后开放给业界，共同制定而成。

事实上，英特尔新任总裁Pat自2021年上任以来一直强调英特尔要走IDM2.0的道路，在芯片制造上继续深耕的同时还要具有更高的开放性，现在看来，当时英特尔可能就在暗指小芯片。

在2月18日的英特尔投资者大会上，英特尔宣布将为选择其旗下IFS服务代工的客户提供x86架构和其他类型内核混搭的可能性，这以一过程中可能就会用到小芯片技术。同时英特尔还在该大会上披露正在致力于打造一个“开放、可选择、值得信赖”的开放生态圈。

这一蓝图似乎就是如今英特尔牵头制定的UCle1.0标准的伏笔。
如今这个巨头们共同站台的UCle1.0标准带来的并不是技术革新，而是技术的标准化。这使得各厂商在使用小芯片时终于有了共同的规则。

以往的小芯片封装都是各家厂商自行其是，在新的UCIe标准规范下，不同厂商的小芯片互通成为可能，允许不同厂商、不同工艺、不同架构、不同功能的芯片进行混搭，x86、ARM、RISC-V集成在一起也不是不可能。

小芯片联盟将会怎样影响芯片产业？

首先要明确的一点是，摩尔定律的逐渐失效其实对于中国的科技企业是一个弯道超车的机会，毕竟当其他公司都卡在技术瓶颈无法攻克时，中国企业却在不断追赶。

而小芯片联盟所要做的事却与此前各大厂家对SoC的“小修小补”截然不同，是一种推翻了全球范围工人超过30年的行业制造标准，而开辟的新的天地，这不亚于从普通手机到智能手机的升级。

技术的革新也就势必带有行业的洗牌，玩家在芯片领域的话语权将重新排列，尤其是小芯片与SoC之间属于相互替代的关系，所有电脑、手机厂商都要在二者之间做出二选一。

这其实本身对于国产芯片厂商来说是一个新的机会，因为目前小芯片也处于起步阶段，中国企业与国际头部企业差距其实没有十分巨大。

但目前小芯片联盟中其实并没有任何一家大陆芯片企业，这也就意味着大陆企业实际上是被排除在规则制定之外的，在未来小芯片与SoC交辉的市场格局下，大陆其实非常需要一批反应迅速的玩家能够及时切入小芯片赛道，率先完成基础研究。

但问题在于即便大陆出现了小芯片相关企业或者有企业将精力投入到小芯片行业中，规则却是由外国企业定制的，很难对大陆小芯片企业产生符合实际生产要求。

很多时候我们谈中国制造的巅峰，是精确到小数点后面的好几个0？还是7nm到5nm的突破？其实这些都只是一些简单的数据，真正的中国制造巅峰是定制行业规则的能力，将产业以自己为核心凝聚在一起的能力，这也是国内大多数企业所缺乏的能力。

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