【2022-2023专题】中外两套标准相继诞生 Chiplet开启发展元年

【编者按】即将过去的2022年，半导体行业依然在挑战中前行。后疫情时代、行业下行、地缘政治等因素仍深刻地影响着全球半导体产业链及生态。2023年全球半导体行业如何发展？新的挑战又会从何而来？为了厘清这些问题，集微网特推出【2022-2023专题】，围绕热门技术和产业，就产业链发展态势、热点话题及未来展望做一详实的总结及梳理，旨为在行业中奋进的上下游企业提供可以参考的镜鉴。

集微网报道（文/朱秩磊）随着先进工艺逼近物理极限，高昂的研发费用和生产成本，性能提升未能继续等比例延续，良率低下产能不足等瓶颈，使得先进封装以及Chiplet（芯粒）掀起后摩尔时代新一轮半导体技术演进。2022年以来，全球产业范围内在Chiplet领域均取得了长足的发展，成为该技术兴起的元年。

UCIe联盟诞生，Chiplet发展进入快车道

异构集成的先进封装毫无疑问已经成为后摩尔时代推动半导体产业向前发展的最重要引擎之一。基于Chiplet的设计方法已被证明是非常适合于超大算力芯片的设计实现思路和工程实践方法，AMD、英特尔、AWS等行业领军企业均在其数据中心CPU上采用了Chiplet技术以实现量产，苹果2022年3月发布的M1 Ultra设计，以及英伟达Grace CPU超级芯片也采用了Chiplet理念。

Gartner预测，基于Chiplet的半导体器件销售收入将从2020年的33亿美元增长到2024年的505亿美元，复合年增长率高达98%，超过30%的SiP封装将使用Chiplet来优化成本、性能和上市时间。届时，在Chiplet市场机会中将有60%为智能手机和服务器应用，而用于PC和服务器终端的基于Chiplet的计算MPU销售收入将超过220亿美元。集微咨询（JW Insights）认为，高性能服务器/数据中心、自动驾驶、笔记本/台式电脑、高端智能手机等将在未来几年成为Chiplet的主要应用场景，引领该市场增长。

在此背景下，2022年3月2日，英特尔、AMD、Arm、高通、微软、谷歌、Meta、台积电、日月光、三星等十家行业巨头正式成立通用芯粒互连（Universal Chiplet Interconnect Express，UCIe）产业联盟，携手推动Chiplet接口规范的标准化，推动Chiplet走上了发展的快车道。尽管当时苹果和英伟达并未在UCIe联盟中，但例如英伟达的NVLink-C2C仍与UCIe有着异曲同工之妙，支持定制裸片与GPU、CPU、DPU、NIC、SoC实现互连。

可以说，由于应用和实际场景的多样性，目前 Chiplet封装领域呈现出百花齐放的局面。Chiplet的核心是实现芯片间的高速互联，同时兼顾多芯片互联后的重新布线。因此，UCIe联盟在具体的封装方式上未对成员做出严格限制，根据其发布的 Chiplet白皮书，UCIe联盟支持了市面上主流的四种封装方式，分别为：1）标准封装：将芯片间的金属连线埋入封装基板中。2）利用硅桥连接芯片，并将硅桥嵌入封装基板中，如：Intel EMIB方案。3）使用硅中介层（Si Interposer）连接芯片并进行重新布线，再将硅中介层封装到基板上，如：台积电CoWoS方案。4）使用扇出型中介层进行重布线，仅在芯片连接处使用硅桥连接，如：日月光FOCoS-B方案。

UCIe联盟成员共分为三个级别，分别是发起人、贡献者（Contributor）和采用者（Adopter），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。

从UCIe宣布的首批创始会员企业可以看出，国际巨头在这一新兴领域再次占据了主导地位。不过联盟成立不久后，已有十多家国内半导体企业相继宣布加入该联盟，包括芯原、芯耀辉、芯和半导体、芯动科技、芯云凌、长芯存储、长电科技、超摩科技、奇异摩尔、牛芯半导体、OPPO、灿芯、芯来科技、通富微电、合见工软等等。

截至8月初，UCIe联盟已经拥有60多家公司，而8月2日UCIe宣布阿里巴巴和英伟达新当选董事会成员，标志着该联盟生态进入一个新的里程碑，阿里巴巴也成为首家加入UCIe董事会的大陆企业。

中国Chiplet技术标准发布，仍面临重重挑战

Chiplet技术的竞争是生态之争，标准是焦点，平台是竞争力的基础。

为了应对Chiplet设计中所面临的挑战，行业出现了几种不同的标准。但是当前阶段UCIe是唯一具有完整裸片间接口堆栈的标准，其他标准都没有为协议栈提供完整裸片间接口的全面规范，大多仅关注在特定层。而且UCIe支持2D、2.5D和桥接封装，预计未来还会支持3D封装。

不难发现，UCIe联盟推出的基于英特尔和台积电技术的Chiplet标准，我国企业几乎只能作为contributor member，没有话语权。因此，在地缘政治冲突的阴影下，“标准有国界”的警钟也再次敲响，在重要性与日俱增的Chiplet领域，国内产业建立自己的Chiplet标准的呼声不绝于耳。

早在2020年8月，中科院计算所就牵头成立了中国计算机互连技术联盟（CCITA），重点围绕Chiplet小芯片和微电子芯片光I/O成立了2个标准工作组。

2021年6月在工信部中国电子工业标准化技术协会立项了《小芯片接口总线技术》《微电子芯片光互连接口技术》2项团体标准。

2022年12月16日，中国首个原生Chiplet技术标准正式通过了工信部中国电子工业标准化技术协会的审定并发布。该标准描述了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（Chiplet）技术要求，包括总体概述、接口要求、链路层、适配层、物理层和封装要求等，以灵活应对不同的应用场景、适配不同能力的技术供应商，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，列出了对封装方式的要求。

《小芯片接口总线技术》标准概况 图源：中国计算机互连技术联盟

这是首个由中国集成电路领域相关企业与专家共同制定的《小芯片接口总线技术要求》团体标准，对中国集成电路产业延续“摩尔定律”，突破先进制程工艺限制具有重要意义。

中国计算机互连技术联盟（CCITA）秘书长、中国小芯片标准的主要发起人和起草人郝沁汾指出，中国的Chiplet标准是开放的，从标准的协议到参考实现都是开放的，实现参考设计所需的技术细节，都可以在标准协议中找得到。联盟将围绕这样一套原生技术标准，进一步完善标准内容，开发相应的参考设计，并孵化相应的企业，以推动我国集成电路行业围绕Chiplet技术形成更加广泛的社会分工。同时CCITA已经在考虑和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。

尽管Chiplet在延续摩尔定律的“经济效益”方面被寄予厚望，不过其前路仍然面临着不少阻碍，包括互连技术、集成封装技术、供电散热、测试技术、架构技术和设计方法学等方面仍存在诸多挑战，对国内半导体产业而言，同时还面临着以下问题与挑战：

1，制造能力同国外还存在差距，先进封装技术水平需进一步提升；

2，国内缺少广泛接受的统一的Chiplet标准，多种标准分散，不利于形成合力，浪费产业资源；

3，国内产业链协调联动不够，企业开展Chiplet产品研制需多方协调，自己弥合产业链，制约了技术创新的快速发展；

4，Chiplet技术难度高，中小企业面临较高的门槛，既缺少相关经验，又无法独立承担大量的技术攻关，产业生态建设刻不容缓；

5，部分EDA工具，高性能芯粒间互连接口、测试技术等关键技术存在空白。

Chiplet技术发展具有内生性的生态化需求，标准和共性技术供给是产业生态发展的基础，平台化的设计方法是Chiplet技术成熟的重要标志。

无论如何，在刚过去的2022年，国际、国内半导体产业“Chiplet元年”的使命已圆满完成，接下来，Chiplet技术和生态的腾飞，还需产业链各个环节的厂商更积极地实现技术突破和普及，进而推动各环节价值重塑。