小芯片，如何应用？

摘要：Chiplet 正在成为半导体市场发展的一个重要新阶段，它提供了一种超越光罩尺寸限制，持续提升性能的方法。然而，这种改进的成本高昂，复杂性也大幅提升，迄今为止，这限制了其应用。

小芯片的设计理念在很大程度上推动了其发展，因为成本比可行性和/或性能更重要。

Chiplet 正在成为半导体市场发展的一个重要新阶段，它提供了一种超越光罩尺寸限制，持续提升性能的方法。然而，这种改进的成本高昂，复杂性也大幅提升，迄今为止，这限制了其应用。

成本上升的主要原因之一是采用小芯片时需要先进封装，这代表着半导体设计、制造和测试方式的根本性转变。由于没有固定的方案，先进封装需要投入额外的时间、精力、专业知识和实验。标准最终可能有助于降低风险，但目前尚不清楚先进封装的成本是否会超过传统封装。

“没人真正知道什么时候chiplet技术会在汽车、工业和类似市场中真正发挥作用，”弗劳恩霍夫IIS自适应系统工程部高效电子负责人安迪·海尼格（Andy Heinig）表示。“这不仅仅是标准的问题。这或多或少是一场关于它何时真正具有经济意义的讨论。”

小芯片的设计理念在很大程度上推动了其发展，因为成本比可行性和/或性能更重要。“我们看到数据中心芯片取得了很大进展，但这是因为单芯片尺寸过大，”Heinig 说道。“现在芯片尺寸已经达到了光罩尺寸，很容易将一块芯片切成两半。”

一般来说，芯片越小、越专用，良率就越高，这反过来可以抵消先进封装的部分额外成本。早期参与者仍在不断推进，这表明这是一个净利好。

扩展某些电路仍有益处。先进的工艺节点可以提供旧工艺无法提供的性能和功耗改进。需要这种性能的前沿系统可以选择——构建单片芯片或采用芯片集。芯片集的优势在于并非所有电路都需要在同一节点构建。如果它们能够采用更低成本的工艺和更低的掩模成本来制造，将有助于降低硅片实现的总成本。因此，部分硅片开发成本应该会降低，尽管先进封装设计所需的额外工作可能会消耗部分节省的成本。

Chiplet 的优势还在于，单个 Chiplet 可以设计用于多种产品。初期开发成本较低，现在可以分摊到多种产品上，进一步降低成本。

Synopsys产品管理总监 Rob Kruger 表示：“也许你的某个应用的 I/O 不会发生太大变化，你可能会在两三代产品中重复使用这些芯片。然后，你只需重新设计处理算法发生变化的芯片。一旦你拥有了这套芯片，并且它们能够协同工作，那么你就可以进行混合搭配，并从低端到中端再到高端进行扩展。”

上面列出的许多好处都体现了成本节约，但仅在特定条件下才能实现，例如：若不满足条件，芯片尺寸会大于光罩；芯片尺寸过大则无法实现经济效益；还需要先进的工艺，并且当一家公司生产高性能系列产品时，可通过小芯片扩展功能。

模拟和其他非CMOS功能，例如存储器、MEMS和光学器件，也可以从基于芯片的方法中受益。多年来，业界一直在微控制器 (MCU) 中集成CMOS、模拟和存储器，这些功能通常用于注重成本的系统中。因此，一些历史经验表明，在这些价位上进行单片集成可以实现成本效益。相比之下，除了传感器/执行器信号调理和控制之外，MEMS和光学器件与CMOS的集成一直受到限制。

国防市场也提供了一些机会，像美国国防部高级研究计划局 (DARPA) 这样的机构一直是推动 Chiplet 技术发展的重要力量，并且在一定程度上注重价格敏感性。但在价格敏感型市场，对 Chiplet 的兴趣显著下降。

消费级和工业级客户主要关注 MCU，其价格通常低于 10 美元。任何程度的成本节约都不是坏事，而将单片芯片拆分开来，或许能带来一些名义上的成本节约，因为良率会略有提高。但无论如何，大多数注重成本的芯片良率都很高，因此这种节省可能并不会太多。

芯片分解的一大变化是从标准封装转向先进封装。毫无疑问，如今先进封装的成本远高于标准封装。封装本身的成本可能高于某些芯片的平均价格。

中介层还带来了其他问题。Promex 首席运营官 David Fromm 表示：“很多人无法获得中介层，无论是排队购买还是付费购买，都无法获得。”

为了降低成本，一些公司正在努力摆脱硅中介层。“现在，他们正在转向其他技术中介层（例如玻璃），然后再转向带有硅桥的引导基板，”Synopsys 的 Kruger 说道。

未来成本能否下降到足以改变现状还有待观察。毫无疑问，在充分学习和建立标准实践之后，先进封装的成本将会下降。但真正的问题是，它的成本是否会降到低于传统封装的成本。

“如果我们谈论的是引线键合或倒装芯片封装，可能不行，”加州大学欧文分校电子工程与计算机科学系助理教授Boris Vaisband表示。“我怀疑我们是否会设计基于小芯片的洗碗机芯片或真正低端的产品。但我相信在中端规模上，这方面还有发展空间。”

日月光公司(ASE)研究员兼高级技术顾问 Bill Chen也认同这种观点，认为先进封装的成本有可能低于简单的引线键合封装。“说到引线键合，我会想到我们中国台湾的工厂，那里的自动化程度很高，”他说道，“一个操作员就能操作 20 到 30 台引线键合机。因此，我很难想象先进封装组装的自动化能够超越那些工厂。”

传统上在一块PCB上使用多个芯片的低成本系统也能从Chiplet技术中受益。在某些情况下，这种好处可能是节省空间。如果是这样，那么在优先级方面，成本就被面积所取代。但在很多情况下，价格仍然是一个障碍。

这里的关键变量是集成能否降低成本，而这取决于集成的内容和集成的难度。如果集成芯片的总成本很低——比如说在 10 美元左右——那么短期内很难推出具有成本效益的基于 Chiplet 的产品。随着先进封装成本的下降，任何成本的增加都可能减少，从而减轻成本负担。

如果其中一个集成芯片价格较高，那么在该封装中添加几个其他芯片组可能是一个成功的策略，从而可能降低总体成本。“由于集成了所有组件，该应用的成本会更低，”ASE 的Bill Chen观察到。

将 MCU 拆分成多个 chiplet 可能会在一代产品中增加成本。但如果策略性地进行，那些不太可能发生变化的电路（例如成熟的 I/O）可以分离到 chiplet 中，以便在未来版本中重复使用。在未来版本中，只有功能发生变化的 chiplet 才需要重新设计，而且该开发项目所需的投资将比第一个项目少得多。

Gen2 的预期节省能否计入 Gen1 的价格，以保持其竞争力？如果不能，并且你是竞争对手中第一个这样做的，那么 Gen1 更高的价格是否会阻碍其成功，并威胁到 Gen2 项目？如果你的 Gen1 领先于其他公司，那么你将是唯一一家成本更高的公司。

当然，如果你的竞争对手在第二代上采取行动，那么当你的第二代成本较低时，他们的第二代成本也会较高——但前提是第一代最初足够成功，值得你推出第二代。