后摩尔时代，被寄予厚望的Chiplet是什么技术？

【文/观察者网 吕栋 编辑/周远方】
8月19日，在2022世界半导体大会暨南京国际半导体博览会上，CIC灼识咨询合伙人赵晓马提出，随着半导体行业进入后摩尔时代，新集成Chiplet和新材料SiC是未来的发展方向。
其中，Chiplet在GPU、FPGA等高算力领域潜力巨大，2021年全球Chiplet市场规模达到18.5亿美元，预计未来五年仍将以46%的年均复合增长率高速增长；新材料SiC制成的第三代功率半导体器件未来将在制造工艺、结构改善方面进一步突破，商业化进程有望加速，2021年全球SiC器件市场规模已达84亿元人民币，预计2026年将增长到199.5亿元人民币。

基于Chiplet技术的芯片结构示意 图源：英特尔
Chiplet被寄予厚望
在早期发展中，集成电路技术进步的主要驱动力是依靠尺寸微缩。所谓的摩尔定律是指，集成电路上可以容纳的晶体管数目在大约每经过18个月到24个月便会增加一倍。换言之，处理器的性能大约每两年翻一倍，同时价格下降为之前的一半。
从1971年到2003年，在尺寸微缩占主导的时代，集成电路经历了11代技术更新，尺寸实现从10微米到130纳米的突破，晶体管的数量从2300增加到5.92亿，但单个CPU的面积几乎没有增加，工艺的进步可以给集成电路带来很大的性能提升。在尺寸微缩的最好时期，一代技术可以为计算机带来50%以上性能的提升，大大促进个人电脑和服务器的发展。
当单纯依靠尺寸微缩提升芯片性能的空间变小时，则出现了将不同功能的电路集成在一起，依靠尺寸微缩和设计优化两条路提升芯片性能。SoC就是将更多性能集成在单一芯片上，促进了手机/嵌入设备的发展。以CPU为例，单核处理器性能难以进一步提升时，采用了多核处理器提升性能，进一步采用了异构多核的架构、协处理器以及GPU架构、专用处理器等。
不过，随着处理器的核越来越多，芯片复杂度增加，设计周期越来越长，成本大大增加，SoC芯片验证的时间、成本也在急剧增加，大芯片快要接近制造瓶颈，特别是一些高端处理芯片、大芯片，单纯靠传统的SoC这条路走下去已遭遇瓶颈，需要从系统层面来考虑。

图源：灼识咨询
灼识咨询指出，后摩尔时代，Chiplet由于其高性能、低功耗、高面积使用率以及低成本受到广泛关注，在延续摩尔定律的“经济效益”方面被寄予厚望。Chiplet通常被翻译为“芯粒”或“小芯片”。单从字面意义上可以理解为更为“粒度更小的芯片”。通过半导体制造将若干“芯粒”集成，而非纯粹封装集成，以此形成复杂功能芯片，可以突破单芯片光刻面积的瓶颈，突破设计周期制约等。
举例来说，在一颗7nm制程芯片中，一些次要的模块可以用如22nm的制程做成Chiplet，再“拼装”至7nm芯片上，原理如同搭积木一样，这样可以减少对7nm工艺制程的依赖。

由中介层上多个chiplets组成的基于chiplets的系统
据灼识咨询报告，尽管Chiplet的标准化才刚刚起步，但它已在高性能CPU、FPGA等领域表现出独特优势，未来市场空间巨大。Chiplet也已吸引英特尔和AMD等国际芯片厂商投入相关研发，在当前SoC遭遇工艺节点和成本瓶颈的情况下有望发展成为一种新的芯片生态。
市场信息显示，华为于2019年推出了基于Chiplet技术的7nm鲲鹏920处理器；AMD今年3月推出基于台积电3D Chiplet封装技术的服务器处理芯片，苹果则推出了采用台积电CoWos-S桥接工艺的M1 Ultra芯片。
中国科学院院士刘明日前在一场讲座上指出，集成芯片是摩尔时代国际集成电路技术创新的前沿，为我国提供了一条基于自主低世代集成电路工艺研制高端芯片的新途径。“中国有巨大的市场，依靠产业来推动，可能也可以形成自己的标准和生态，大家倡导很久的硬件开源，也许会搭载这样一个机遇得以实现。”
灼识咨询报告提到，Chiplet模式落地必须实现异构芯片的集成，其中涉及两个难点：异构芯片之间的互连、集成性能的优化，先进封装技术是后者的关键。目前行业内主要的先进封装工艺有倒装封装、晶圆级封装、2.5D/3D封装以及SiP系统级封装等，后三者是行业焦点。

SiC“市场潜力巨大”
按照材料性质划分，半导体衬底目前大致可分为四代，其中第三代以碳化硅（SiC）为代表。
据灼识咨询报告，目前SiC二极管和SiC MOSFET已实现商业化，与传统解决方案相比，具有多方面性能优势，是高温、高频、大功率、高压场景的理想器件，能使系统效率更高、重量更轻、结构更紧凑。

在产业链上，SiC功率器件主要分为上游原材料设备、中游器件模块和下游应用；在SiC功率器件领域，IDM（设计、制造、封装一体化）和Fabless（纯设计）各有优劣，其中IDM在工艺设计互动、研发迭代速度、研发迭代成本方面具有优势。

在下游应用中，SiC功率器件主要应用在电动汽车、新能源发电、开关电源、轨道交通和智能电网等领域，有利于功率密度和效率提升，在部分领域开始取代Si器件，市场潜力巨大。
灼识咨询报告显示，全球SiC功率器件市场规模逐年上升，2021年全球SiC器件市场规模已达84亿元人民币，预计2026年将增长到199.5亿元人民币。其中，新能源汽车和工控为增长较快的应用领域。中国SiC器件市场发展迅速，在全球市场的份额逐步增长，2017年为9%，预计2026年有望达到56%。

SiC产业链结构与硅基功率半导体类似。不过，硅基器件晶圆制造成本占比大，而SiC器件衬底和外延占比最高，其中衬底占据成本的半壁江山，因此衬底供应商掌握着碳化硅产业链的核心话语权，而全球SiC衬底市场主要被国外巨头占领，2021年美国Wolfspeed的市占率达到62%。

灼识咨询报告指出，国内厂商SiC器件衬底规划投资规模大，而投资落地情况不足预期，有效产能不足。据统计，截至2021年中，全国碳化硅衬底规划投资超300亿元，预计规划年产能大约200万片，而2021年全国碳化硅产能则小于30万片。
“未来SiC器件制成难点将逐步突破和解决，SiC功率器件结构的改善将带来性能及可靠性的显著提升，使用SiC的各种类型器件不断推出，推动SiC产品在大功率领域的商业化应用。”报告称。
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