2024年: 芯?！吧宪嚒?算力“破墻”

“Chiplet（芯粒）‘上車’是大勢所趨?！鼻迦A大學(xué)交叉信息核心技術(shù)研究院教授、北極雄芯創(chuàng)始人馬愷聲告訴《中國科學(xué)報(bào)》，“從北極雄芯的角度判斷，2024年將是芯粒車載芯片元年?！?/p>

不久前，北極雄芯完成新一輪超億元融資，用于下一代通用芯粒及功能型芯粒的開發(fā)，以及高速互聯(lián)芯粒接口等基礎(chǔ)技術(shù)的研發(fā)。此前，北極雄芯曾獲圖靈創(chuàng)投、紅杉中國種子基金、SEE FUND、青島潤揚(yáng)、韋豪創(chuàng)芯、訊飛創(chuàng)投、中芯熙誠等多家投資機(jī)構(gòu)青睞。

除北極雄芯外，今年在芯粒賽道上異軍突起的還有其他黑馬。

今年8月，芯礪智能宣布半年內(nèi)獲得近3億元天使輪及產(chǎn)業(yè)輪融資，用于研發(fā)車載大算力芯粒；今年6月，成立僅兩個(gè)月的原粒半導(dǎo)體很快收獲了數(shù)千萬元種子輪融資……

資本青睞、股市活躍，2023年的芯粒領(lǐng)域可謂“靜水流深”，而更多的企業(yè)在等待2024年“上車”的機(jī)遇。

兩條路徑，一種選擇

“芯粒通常指預(yù)先制造好、具有特定功能、可組合集成的晶片，也稱為‘小芯片’?！敝袊茖W(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所（以下簡稱計(jì)算所）研究員韓銀和對(duì)《中國科學(xué)報(bào)》說。

簡單說，芯粒技術(shù)可以將片上系統(tǒng)（Soc）的功能拆分成多顆小芯片，然后運(yùn)用先進(jìn)封裝技術(shù)，重組成一個(gè)龐大復(fù)雜的系統(tǒng)，以此降低芯片總成本。通過基板集成制造技術(shù)，芯?？蓾M足通用處理器、存儲(chǔ)器、圖形處理器、加密引擎、網(wǎng)絡(luò)接口等各種功能集成的應(yīng)用需求。

“相比于普通芯片，芯粒技術(shù)有3個(gè)核心優(yōu)勢。”韓銀和補(bǔ)充說，“一是支撐算力持續(xù)突破；二是進(jìn)行不同工藝芯粒的集成；三是減少芯片設(shè)計(jì)、制造的時(shí)間和費(fèi)用。”

隨著人們對(duì)計(jì)算和存儲(chǔ)能力需求的持續(xù)增長，算力提升面臨諸多壁壘，如何“破墻”是國內(nèi)外亟待解決的問題。

在韓銀和看來，提高算力除采用先進(jìn)設(shè)備和工藝進(jìn)行尺寸微縮外，還可以通過擴(kuò)大芯片面積來增加晶體管數(shù)量，從而提升芯片性能。芯粒技術(shù)通過多芯集成，可達(dá)到提升芯片性能的目標(biāo)。

復(fù)雜芯片內(nèi)通常包含多種不同模塊。傳統(tǒng)芯片為實(shí)現(xiàn)高性能，需要全部采用先進(jìn)工藝制造。而以手機(jī)芯片為例，除計(jì)算模塊外，還有存儲(chǔ)、接口等多種模塊。通過細(xì)分這些模塊，可用14納米工藝制造接口模塊，一些模擬電路甚至只需28納米工藝就能滿足要求，而計(jì)算部分則可用7納米工藝來實(shí)現(xiàn)。

“集成芯片技術(shù)還能實(shí)現(xiàn)基于不同架構(gòu)芯粒的集成，從而減少前端設(shè)計(jì)和流片制造成本。”韓銀和說，“大算力芯片設(shè)計(jì)時(shí)間和成本劇增，例如英偉達(dá)設(shè)計(jì)的Xavier SoC每年要投入2000人。而集成芯片則可以通過‘異構(gòu)組合’實(shí)現(xiàn)芯粒復(fù)用，從而更加靈活地定制芯片功能及擴(kuò)展算力。在當(dāng)前先進(jìn)工藝受阻的背景下，集成芯片提供了一條利用自主工藝研制高性能芯片的可行路線?！?/p>

芯粒技術(shù)有諸多優(yōu)勢，因此受到全球關(guān)注。但對(duì)于中美兩國來說，出發(fā)點(diǎn)并不一致。

“對(duì)于芯粒，美國是將其作為摩爾定律盡頭一條‘沒有其他選擇的’路徑。而在中國，它是現(xiàn)有條件下解決算力問題的一種選擇?！瘪R愷聲說，“兩者的出發(fā)點(diǎn)不同，因此決定了技術(shù)路徑也有差異?！?/p>

“上車”是大勢所趨

2010年，臺(tái)積電的芯片專家蔣尚義提出“先進(jìn)封裝”概念，即通過半導(dǎo)體互連技術(shù)連接兩顆芯片，突破了單芯片制造的面積上限，這被認(rèn)為是芯粒技術(shù)的雛形。

2013年，臺(tái)積電與美國賽靈思（Xilinx）公司推出一款大容量芯片V7200T。它將4個(gè)芯粒連接在一塊硅基板上，形成一個(gè)超2000個(gè)可編程邏輯門的系統(tǒng)。此后，“模塊化”的設(shè)計(jì)思想與方法得到進(jìn)一步發(fā)展。

2018年，計(jì)算所、清華大學(xué)、華為、中芯國際等開始關(guān)注這一技術(shù)。一開始，大家將Chiplet譯為“小芯片”，在韓銀和等人倡導(dǎo)下，又將其譯為“芯?！保⒌玫綄W(xué)界和業(yè)界的認(rèn)可。

同年，馬愷聲等人用半年多時(shí)間調(diào)研各種計(jì)算范式，發(fā)現(xiàn)想快速量產(chǎn)芯粒，利用現(xiàn)有硅基技術(shù)的產(chǎn)能和產(chǎn)線，以“搭便車”的方式結(jié)合或改造是不錯(cuò)的選擇。

馬愷聲認(rèn)為，芯粒技術(shù)受到資本追捧，是因?yàn)橘Y本敏銳意識(shí)到，芯粒并非“國產(chǎn)替代”，而是“一個(gè)有創(chuàng)新性的東西”。但目前大家對(duì)芯?！案信d趣的多，觀望者多，真正下場做的企業(yè)卻非常少”。

“主要是產(chǎn)業(yè)方面還不成熟，東西太新、風(fēng)險(xiǎn)較大?！瘪R愷聲解釋說，該領(lǐng)域牽扯到架構(gòu)的拆分、拼接及數(shù)據(jù)通路的完備考慮，需要軟件上做適配，還要時(shí)刻關(guān)注芯粒帶來額外面積的代價(jià)。

“芯粒的真正魅力在于‘異構(gòu)’，在于能和其他芯粒連接，但現(xiàn)在市場上沒有幾個(gè)芯粒?！瘪R愷聲說，“即使把以上的步驟都‘跑通了’，也只能跟自己的一兩個(gè)晶片拼接起來，收益有限?！?/p>

因此，北極雄芯一直堅(jiān)持走異構(gòu)芯粒路線，跟國產(chǎn)的供應(yīng)鏈耦合，給國內(nèi)封裝企業(yè)下訂單，促進(jìn)上下游同時(shí)進(jìn)步。

“Chiplet‘上車’一定是大勢所趨。預(yù)計(jì)到2030年有34%至50%的汽車中央域控芯片采用芯粒技術(shù)。”馬愷聲說，“我們想先把這條路走通，給大家‘打個(gè)樣兒’?！?/p>

在北極雄芯的投資方豐年資本合伙人潘騰看來，芯粒技術(shù)定能在多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮破局作用。北極雄芯憑借深厚的技術(shù)背景以及扎實(shí)的產(chǎn)品邏輯，會(huì)助力我國汽車智能化和人工智能計(jì)算持續(xù)發(fā)展。

兩種角度思考布局

近年來，我國在高集成度芯粒領(lǐng)域研發(fā)方面取得了巨大進(jìn)展。

2022年，計(jì)算所智能計(jì)算機(jī)中心和之江實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合開發(fā)了“之江大芯片一號(hào)”。該芯片集成了16個(gè)芯粒，每個(gè)芯粒包含16個(gè)CPU核，芯粒集成度實(shí)現(xiàn)突破。同年，復(fù)旦大學(xué)集成芯片與系統(tǒng)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室用可擴(kuò)展架構(gòu)，研制出多芯粒集成的存算一體2.5D芯片，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)算力與存儲(chǔ)規(guī)模按芯粒比例線性增長。

今年，國家自然科學(xué)基金委員會(huì)啟動(dòng)“集成芯片前沿技術(shù)科學(xué)基礎(chǔ)重大研究計(jì)劃”，推動(dòng)國內(nèi)在集成芯片和芯粒方面的基礎(chǔ)研究。

“這是一個(gè)重要的節(jié)點(diǎn)，也是我國在集成電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域率先開展基礎(chǔ)性、前瞻性研究的一個(gè)重要研究計(jì)劃?！表n銀和說。

目前，國內(nèi)研發(fā)機(jī)構(gòu)與頭部企業(yè)在芯粒領(lǐng)域已經(jīng)開始互連標(biāo)準(zhǔn)制定工作。計(jì)算所、華為等都在牽頭開展相關(guān)工作。

在剛剛結(jié)束的中國集成電路設(shè)計(jì)業(yè)2023年會(huì)（ICCAD）上，中國半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì)集成電路設(shè)計(jì)分會(huì)理事長魏少軍說，任何一個(gè)產(chǎn)品能否持續(xù)發(fā)展，技術(shù)因素確實(shí)重要，但經(jīng)濟(jì)性才是決定性因素。芯粒可在很大程度上降低使用最先進(jìn)工藝的要求，在成本上大大降低先進(jìn)工藝帶來的高額費(fèi)用，確實(shí)有吸引力?！靶玖Ｓ锌赡芘缮霭凑諔?yīng)用需求，通過混合堆疊和集成打造芯片級(jí)系統(tǒng)的新商業(yè)模式，甚至新業(yè)態(tài)。”

對(duì)此，韓銀和有類似的看法：“集成芯片是一條可以用自主工藝研制高性能芯片的技術(shù)途徑。我們可以從技術(shù)趨勢和產(chǎn)業(yè)競爭兩個(gè)角度看待?！?/p>

韓銀和認(rèn)為，首先，站在產(chǎn)業(yè)角度，要把芯粒作為一個(gè)生態(tài)體系來規(guī)劃和發(fā)展。在集成芯片這一新興賽道上，需要以應(yīng)用為牽引，體系化地以芯粒生態(tài)和目標(biāo)開展標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的制定，鼓勵(lì)芯片廠商對(duì)外提供第三方芯粒產(chǎn)品形態(tài)。

其次，芯粒集成生態(tài)的發(fā)展應(yīng)與EDA、RISC-V開源體系、大容量存儲(chǔ)器、光口互連等戰(zhàn)略產(chǎn)品布局結(jié)合，增大芯粒集成芯片生態(tài)的寬度和高度，形成核心競爭力。

最后，在技術(shù)上要發(fā)展當(dāng)前急需的先進(jìn)集成封裝技術(shù)，改變當(dāng)前只有少量芯?？梢约傻漠a(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀。以高性能計(jì)算和智能物聯(lián)網(wǎng)市場為牽引，圍繞大尺寸集成和異構(gòu)異質(zhì)設(shè)計(jì)開展新技術(shù)、新工藝和新材料體系攻關(guān)，形成自主、安全可控的芯片設(shè)計(jì)新范式。