摘要：引领集成电路行业数十年高速发展的“摩尔定律”如今日趋放缓。随着芯片工艺制程节点向 3nm、2nm 演进，量子隧穿效应、短沟道效应等带来的漏电、发热等问题愈发严重，在有限的面积内增加更多晶体管变得愈发困难，成本大幅攀升，业界不得不探索其他技术路线。

原创 Lee 问芯

引领集成电路行业数十年高速发展的“摩尔定律”如今日趋放缓。随着芯片工艺制程节点向 3nm、2nm 演进，量子隧穿效应、短沟道效应等带来的漏电、发热等问题愈发严重，在有限的面积内增加更多晶体管变得愈发困难，成本大幅攀升，业界不得不探索其他技术路线。

作为当今“后摩尔时代”的芯片设计技术，Chiplet（芯粒、小芯片）应运而生。与传统 SoC 芯片设计方法不同，Chiplet 能让不同功能模块采用最适合其性能需求的工艺节点制造，从而优化成本效益比，提高设计灵活性，是一种更为经济高效的解决方案。

围绕 Chiplet 技术，标准化有助于更快形成设计生态，进一步推动 chiplet 技术广泛应用，并推动产业链上下游企业协作，加速产品研发周期，降低研发成本。

近期，「问芯」专访了国内和 IEEE Chiplet 标准制订牵头人、中国科学院计算技术研究所郝沁汾研究员，访谈中他围绕 Chiplet 技术的发展现状、未来趋势，以及 Chiplet 技术标准制订等多个方面进行了分享和解读。

图｜中国科学院计算技术研究所郝沁汾研究员（来源：受访者）

2001 年，郝沁汾博士毕业于中国科学院计算技术研究所计算机系统结构专业，从业 20 余年间他先后就职于联想、北京航空航天大学、华为等，专注于高性能服务器、高端 SMP 服务器、高速缓存一致性互连芯片、CPU 芯片的设计和研究工作。此外，他还是中国和 IEEE Chiplet 技术标准的主要发起人和起草人，曾参与过多项国家级科研项目，在国内外学术会议及核心刊物上发表学术文章 50 余篇，申请国内外发明专利 100 余项。

目前，郝沁汾是中国科学院计算技术研究所研究员、博士生导师，现阶段的研究方向主要是围绕基于 Chiplet 架构的处理器、基于芯片级光互连的计算机系统结构等。

“Chiplet 作为新的设计方法学可加速芯片设计”

Chiplet 的设计理念最早可追溯至上世纪 70 年代的“多芯片模组”概念，近几年 Chiplet 技术突然升温，在郝沁汾看来，“任何一个先进技术概念诞生之初都存在时代局限性，当时技术基础可能并不完备，比如缺乏应用需求、标准、功能芯粒、EDA 工具等，所以长期停留在概念层面。”

之所以 Chiplet 在近几年变得业界瞩目，他认为有两方面的因素：其一，先进工艺制程达到物理极限；其二，大公司希望提升良率，中小公司希望有更好的方法设计芯片，或者降低芯片设计的门槛，尤其在面向业务的芯片设计方面。

具体而言，“首先，是先进工艺制程发展面临瓶颈，晶体管密度达到物理极限，因此需要寻求其他解决方案，而 Chiplet 技术为有效技术之一，本质是通过扩展面积从而实现性能继续提升。其次，即使不采用先进工艺，如今的芯片面积越来越大，对良率造成影响，Chiplet 技术依然可以用来提升大算力芯片的良率，而由于面积较小，IoT 等芯片对良率不敏感，但种类繁多，IoT 芯片设计公司更侧重芯片设计效率，多方面因素让 Chiplet 变得非常热门。”郝沁汾解释道。

与此同时，就国内而言，先进工艺发展与国际层面存在差距，在工艺相对落后的情况下，通过 Chiplet 开发芯片也是一种切实可行的策略。“采用 Chiplet 方式开发的芯片，在功能和性能方面接近采用先进工艺开发的芯片，或许芯片的功耗、面积会稍大，但在一些对功耗、面积不敏感的场景是较好的解决方案。”他表示。

图｜Chiplet 技术示意（来源：受访者）

在郝沁汾看来，Chiplet 技术的发展大致可划分为两个阶段：Chiplet 1.0 阶段（此前 3-4 年间）和 Chiplet 2.0 阶段（目前及未来 10 年间）。

“在 1.0 阶段，Chiplet 技术的开发主要集中在一些大型芯片企业（比如英特尔、AMD 等），其核心诉求是为了解决芯片良率问题。”他指出。随着 SoC 面积的增大，如果继续沿用传统单芯片的设计方案，那么芯片面积会越来越大，良率会逐渐下降，进而导致成本增加，所以大型芯片企业采用 Chiplet 的设计方式来解决生产良率问题。

“在 2.0 阶段，则主要是为了解决芯片设计效率问题。”他表示。设计大芯片的企业关心良率，而设计中小芯片的公司（如 IoT 芯片设计企业）侧重的是芯片开发的门槛问题，即如何找到一种更高效的方法去设计开发芯片，这是中小芯片设计公司面临的主要诉求。

不同于传统单芯片的设计模式，Chiplet 将“大芯片拆分为小芯片”进行生产并集成封装。“Chiplet 的本质其实是一种‘分开设计’的模式，小公司若要加速芯片的设计效率，采用 Chiplet 方式能起到较好的效果。”郝沁汾说道。

例如，整颗芯片上包含多个小芯片，小公司可以完成其中的一个业务逻辑芯片，其他的诸如功能芯片则可以从“芯粒库”（包含大量的已经设计好的小芯片）中挑选，然后将所有小芯片通过先进封装技术进行组装，如此一来，能大幅降低芯片开发难度，进而加速芯片整体设计效率。

但就现阶段而言，Chiplet 技术发展也面临一些挑战。“Chiplet 技术最大的挑战主要在 2.0 阶段。一方面，中小型芯片设计公司的诉求并没有得到业界充分关注，而大公司采用 Chiplet 设计芯片其实不需要技术标准，因为自己设计的芯粒进行对接并不需要标准，比如英特尔并没有通过 UCIe 协议和任何第三方芯粒对接，UCIe 更多的是作为开放给业界的一种芯粒接口标准，但由于设计极其复杂（如状态机等），并不一定适合所有的芯片种类。因此，究竟谁该来用‘Chiplet 技术标准’，我觉得现阶段是存在误区的。”郝沁汾指出。

“另一方面，目前‘芯粒库’依然缺乏功能芯粒，只有在具备大量现成的功能芯粒的前提下，Chiplet 2.0 阶段才能顺利推进。”他说道。

市场层面，郝沁汾表示，“很大程度上，Chiplet 可以说是一种不得不用的设计方法，几乎所有的芯片相关公司开发下一代芯片都有尝试和探索这种方法，因此，其市场规模将会逐步增长。”

“需要注意的是，其实 Chiplet 并不是脱离于当前集成电路行业的一个新的独立市场，而是基于现有集成电路市场上的一种新的设计方法学，即在原有集成电路产业上叠加的一个技术，而叠加了 Chiplet 以后的集成电路行业也就变成 Chiplet 的市场。”他说道。

“终极目标是‘让天下没有难设计的芯片’”

2021 年 5 月，中国计算机互连技术联盟（CCITA）在中国电子工业标准化技术协会立项了 Chiplet 技术标准《小芯片接口总线技术要求》，作为中国 Chiplet 技术标准的主要发起人和起草人，郝沁汾坦言，“国内 Chiplet 标准制定的挑战性很大，而且后期面临的挑战还会越来越大。比如，在 Chiplet 标准制定过程中我也曾听到一些诸如‘标准的制定应当由大公司来牵头，而不是科研院所’等反对的声音。”

他继续说道，“大公司希望通过 Chiplet 提升良率，然而大公司其实并不需要标准，它们有足够的实力自主开发基于 Chiplet 架构的芯片，而这也是我们在起草和制定国内标准过程中才逐渐认识到的问题，真正需要 Chiplet 标准帮助降低芯片设计门槛的是小型芯片设计公司，以及希望通过 Chiplet 方式去充分利用资源的中等规模芯片设计公司，然而这些中小公司可能并不太受到重视。”

郝沁汾认为，“放眼全球，半导体行业的技术创新很大一部分来自中小公司，相较之下大公司的技术创新有所局限，更多的是为了寻求稳健。所以从这个角度出发，若让大公司来牵头 Chiplet 标准的制定，那将会是偏保守的，为‘求稳’而不愿采纳创新技术。”

“既然我们作为科研院所来牵头 Chiplet 标准的制定，那就需要融入一些对创新和未来的考量，要解决的也并不单纯是当下的问题，重点是如何更好的服务于中小企业，终极目标是实现‘让天下没有难做的芯片’，并以这种方式促成国内芯片设计群体的崛起。我觉得，这是我们科研院所能够做出的贡献。”郝沁汾说道。

图｜Chiplet 标准研讨会（来源：受访者）

除了国内标准，郝沁汾还牵头了国际 Chiplet 标准制定。“毕竟技术无国界，围绕技术本身我认为还需要有一个全球化的、开放的平台进行交流，而 IEEE 是这样的平台。”郝沁汾说道。

据介绍，IEEE 的 Chiplet 标准（工作组编号 P3468）于今年 3 月立项，5 月在新加坡 2024 国际电路与系统研讨会（ISCAS 2024）上正式启动标准制定工作，工作组汇集了全球 170 余位业内专家，预计 2027 年完成标准制定。

谈及国际标准与国内标准的区别，郝沁汾表示，“国内标准主要围绕 Chiplet 接口电路对接的定义层面，而 IEEE 的 Chiplet 标准主要聚焦在接口电路的实现层面技术的标准化，并考虑兼容多协议。换句话说，从实现的层面上，是否可以尽可能的多去支持一些现有的 Chiplet 标准。通过一个标准物理电路的实现去支持多个标准，这是两者的区别所在，而在为了实现这个目标的过程中，需要进行大量的技术创新，比如需要更宽频率的 PLL，这也和现存的 Chiplet 标准主要是规格的制定有较大区别。”他指出。

据悉，11 月 26 日，中国计算机互连技术联盟（CCITA）在无锡芯光互连技术研究院举办了由 40 余位专家参与的“构建芯粒库，进军 Chiplet 2.0 时代”技术研讨会“，与会专家齐聚一堂，围绕如何推动“芯粒库”的建设纷纷建言。“若干年后再回顾，也许这一天会成为 Chiplet 2.0 时代的起点。”他说道。

制定国内 Chiplet 标准的意义重大，“国内 Chiplet 标准与英特尔牵头的 UCIe 基本是同期发布的，但国外标准讨论的过程中对国内企业有所限制，只有极少数企业能够参与其中，并且也难以全程参与。”他表示。

在郝沁汾看来，大公司和中小公司存在的价值不同。“中小公司为创新主体，是创新的发起者，而大公司的作用更多的是稳健地把控某个领域，中小公司在一些领域发起创新挑战，逐渐超越并慢慢成长为大公司。在中小公司成长过程中，我们制定的 Chiplet 标准若能起到助推作用，并通过这种方式帮助国内的集成设计群体崛起，那将是非常有价值的。”他总结道。

来源：半导体芯科技SiSC