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Chiplet为什么要把大芯片拆开?

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在先进封装领域,Chiplet几乎是绕不开的关键词。

很多人第一次听到Chiplet时,会有一个很直观的疑问:

芯片不是集成度越高越好吗?为什么现在反而要把一颗大芯片拆成很多小芯片?

表面上看,这似乎是一种“倒退”。

过去几十年,半导体产业一直在做的事情,就是把越来越多功能集成到一颗芯片里。

CPU、GPU、缓存、I/O、各种控制模块,能塞进去的尽量塞进去。

但到了先进制程时代,情况开始发生变化。

芯片越做越大,不一定越划算。

而Chiplet的出现,本质上就是在回答一个越来越现实的问题:

当一颗超大芯片越来越难做、越来越贵的时候,有没有另一种方式继续提升系统性能?

答案就是:

把大芯片拆开。

一、为什么过去大家都喜欢“大芯片”?

先说一个最简单的逻辑。

如果很多功能都放在同一颗芯片里,它们之间的连接距离很短。

通信速度快。

功耗低。

延迟也低。

所以从性能角度看,单颗大芯片其实是很理想的。

这也是为什么过去很多高性能芯片都尽可能追求更高集成度。

可以把它理解成一家公司。

如果研发、销售、财务、生产都在同一栋楼里,部门之间沟通当然更方便。

不用坐车。

不用跨城市。

信息传递也快。

芯片也是一样。

不同功能模块都集成在同一片硅上,连接自然最直接。

所以问题从来不是:

“大芯片不好”。

真正的问题是:

大芯片正在变得越来越贵。

二、芯片越大,良率问题越明显

制造芯片并不是在一片完全没有缺陷的晶圆上进行。

现实中,晶圆制造过程中总会存在各种微小缺陷。

如果缺陷落在芯片的关键区域,这颗芯片就可能报废。

那么问题来了。

如果芯片面积很小,一个缺陷可能只影响一颗小芯片。

但如果芯片面积非常大,那么它“碰到缺陷”的概率通常也会更高。

可以做一个简单比喻。

假设一块大玻璃上随机分布着一些小黑点。

如果你要从上面裁出很多小方块,有些方块可能碰到黑点,有些不会。

但如果你要裁一整块特别大的玻璃,只要范围里碰到一个关键黑点,整块可能都不能用了。

芯片也是类似的道理。

于是,当芯片越做越大时,一个非常现实的问题出现了:

面积增加,良率可能下降。

而先进制程本身又非常昂贵。

这就意味着:

一颗大芯片一旦报废,损失会更大。

所以从制造角度看,“做一颗越来越大的芯片”并不是没有代价。

三、Chiplet的第一个价值:把“大风险”拆成“小风险”

这时候,Chiplet的逻辑就出来了。

与其做一颗巨大的芯片,不如把它拆成几个较小的功能模块。

比如:

计算模块一颗;

I/O模块一颗;

缓存模块一颗;

其他功能再分别拆开。

这些小芯片先分别制造。

做完以后,再进行测试。

好的留下。

坏的淘汰。

最后把合格的小芯片重新组合在一起。

这就带来一个非常重要的好处:

不需要因为局部缺陷,直接报废一整颗超大芯片。

当然,这并不意味着Chiplet一定天然高良率。

因为封装和组装本身也会带来新的良率风险。

但它至少提供了一种新的思路:

把“单颗超大芯片制造风险”,拆分成“多个小芯片制造 + 后续组装风险”。

这就是Chiplet非常核心的一层价值。

四、Chiplet的第二个价值:不是所有模块都值得用最先进制程

除了良率,Chiplet还有一个更重要的经济逻辑。

一颗芯片里,并不是所有模块都需要最先进制程。

比如高性能计算核心,对晶体管密度、功耗和速度非常敏感。

它当然希望使用先进制程。

但有些模块,比如部分I/O、电源管理、模拟电路、接口电路,并不一定需要同样先进的制程。

如果硬要全部放在同一个先进节点上,就会出现一个问题:

该贵的贵了,不该贵的也跟着贵了。

Chiplet则允许不同模块使用不同工艺。

需要高性能的部分,用先进制程。

对性能不那么敏感的部分,可以用更成熟、更便宜的制程。

最后再通过先进封装把它们组合起来。

这就是所谓的“异构集成”。

可以把它理解成造汽车。

发动机需要最好的材料和加工精度。

但车门、座椅、内饰没必要全部使用和发动机一样昂贵的工艺。

如果每个零件都按最高标准制造,整辆车的成本会非常高。

芯片也是一样。

真正合理的系统,不是所有部分都用最贵的技术,而是让合适的模块使用合适的技术。

五、所以Chiplet其实是在重新定义“芯片”

过去我们理解一颗芯片,往往是:

一块完整的硅片。

所有功能都在里面。

但Chiplet出现以后,这个概念开始变化。

未来所谓的“一颗芯片”,可能其实是多个小芯片组合而成的系统。

外面看起来是一颗产品。

里面实际上是多个独立模块。

这和过去SoC的思路非常不同。

SoC更强调:

把所有功能做进一块硅里。

Chiplet更强调:

把不同功能模块做好,再通过高性能互联重新组合。

所以Chiplet并不是简单地“把芯片切成几块”。

它背后其实是一种系统设计方法的变化。

六、但把芯片拆开以后,新问题马上出现了

看到这里,Chiplet似乎很完美。

小芯片良率可能更好。

不同模块还能使用不同制程。

那是不是以后所有芯片都直接拆开就行了?

当然不是。

因为只要把一颗芯片拆开,就会马上面对一个新问题:

原来在芯片内部完成的通信,现在要跨芯片完成。

这件事非常重要。

一颗完整芯片内部,模块之间距离非常短。

但拆成Chiplet以后,不同Die之间需要通过封装结构连接。

如果互联不够快,会出现什么情况?

计算核心很快。

但不同Chiplet之间通信很慢。

那整个系统性能反而会下降。

所以Chiplet真正成立的前提,并不是“能拆”。

而是:

拆开以后还能不能重新连得足够好。

这也是为什么Chiplet和先进封装几乎总是一起出现。

没有高密度互联,Chiplet的很多优势就无法真正发挥。

七、Chiplet不是“免费午餐”

这里要特别强调一个容易被忽略的问题。

Chiplet不是把大芯片拆开以后,成本就一定下降。

因为拆开以后,会新增很多成本。

比如:

封装成本;

基板成本;

互联成本;

测试成本;

组装成本;

设计复杂度。

此外,多个Chiplet组合以后,还有一个非常现实的良率问题。

假设一个封装里有多个芯片。

如果其中一颗芯片有问题,或者组装过程出现问题,整个封装都有可能报废。

所以Chiplet最终值不值得做,不能只看单颗Die良率。

真正要看的是:

整个系统的Cost per Good Package。

也就是:

生产一颗最终合格产品,到底要花多少钱。

如果小芯片带来的良率改善,能够覆盖先进封装增加的成本,那么Chiplet经济性成立。

如果封装过于复杂、良率过低、测试成本太高,那么即使技术很先进,也未必划算。

这就是为什么:

Chiplet并不是所有芯片的标准答案。

它更适合那些性能高、芯片面积大、先进制程成本高、异构集成价值明显的产品。

比如高性能计算、AI、服务器等领域。

八、真正难的不是“拆”,而是“重新连接”

所以如果把Chiplet这件事情概括成一句话:

拆开并不难,重新连接才难。

连接需要解决什么?

带宽够不够?

延迟够不够低?

功耗够不够小?

封装面积会不会太大?

散热能不能解决?

良率能不能接受?

成本能不能控制?

这些问题,最终都落到了先进封装上。

于是我们就会发现一个很有意思的变化。

过去芯片竞争的核心,主要发生在晶体管层面。

而Chiplet时代以后,竞争开始延伸到:

芯片之间的互联能力。

谁能够让多个Chiplet之间“像在一颗芯片里一样通信”,谁就更有可能释放Chiplet的真正价值。

九、Chiplet真正解决的,其实是“怎么继续做大系统”

所以,理解Chiplet,不能只理解成“把大芯片切成小芯片”。

它真正解决的是一个系统问题:

当单颗芯片越来越难继续做大时,如何继续构建更大的计算系统?

过去的方法是:

一颗芯片越做越大。

现在的方法开始变成:

多个芯片协同工作。

这就是Chiplet最重要的意义。

它让系统规模的增长,不再完全依赖于“单颗芯片面积继续增加”。

而是可以通过模块化组合继续扩展。

所以从某种意义上说,Chiplet并不是放弃集成。

而是在改变“集成”的方式。

过去是:

硅片内部集成。

未来越来越多会变成:

封装内部集成。

十、Chiplet真正的价值,要看三个条件

最后,如果我们以后再看到一家企业宣传Chiplet,可以先不要急着看它有多少个Chiplet、用了什么先进工艺。

先问三个问题。

第一:

为什么要拆?

是因为大芯片良率问题,还是异构集成需求?

第二:

拆开以后怎么连?

互联带宽、功耗和延迟能不能满足系统要求?

第三:

拆完以后真的更便宜吗?

封装、测试和良率成本加进去以后,最终Cost per Good Package是否下降?

只有这三个问题都成立,Chiplet才真正有产业价值。

所以Chiplet最值得记住的一句话不是:

“把一颗大芯片拆成很多小芯片。”

而是:

用更灵活的方式,把一个越来越难制造的大系统重新构建出来。

这才是Chiplet真正改变半导体产业的地方。

下一篇,我们继续讲一个和AI芯片关系极大的问题:

HBM为什么必须离GPU这么近?

以及更关键的问题:

AI芯片真正的瓶颈,为什么越来越从“计算”变成“数据搬运”?

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