日前，中國工程院院士許居衍在題為《復歸于道：封裝改道芯片業(yè)》的報告中指出，經(jīng)典的2D縮放已經(jīng)“耗盡”了現(xiàn)有的技術(shù)資源，現(xiàn)在通過節(jié)點實現(xiàn)性能翻番的方法已經(jīng)失靈。單片集成電路過去一向強調(diào)PPA，即更高的性能（erformance）、更低的功耗（Power）、更小的面積（Area）。這個邏輯方向到了需要修正的時候了！因此3D異構(gòu)集成、MCP（Multi-Chip Package多芯片封裝）、SiP（System-in-Package）、PoP（Packaging on Packaging）等封裝技術(shù)成為走出2D同質(zhì)集成的契機。3D異構(gòu)集成的基礎就是IP復用。許居衍院士在報告中非?？春?D異構(gòu)集成技術(shù)的潛力。
什么是芯粒
近年來，芯粒（Chiplet）或成為半導體產(chǎn)業(yè)的熱門詞。在科研界和產(chǎn)業(yè)界看來，這是一種可以延緩摩爾定律失效、放緩工藝進程時間、支撐半導體產(chǎn)業(yè)繼續(xù)發(fā)展的有效方案。
簡而言之，芯粒其實就是一顆商品化的、具有功能（如USB、存儲器）特征的裸芯片（die）。從系統(tǒng)端出發(fā)，首先將復雜功能進行分解，然后開發(fā)出多種具有單一特定功能，可相互進行模塊化組裝的裸芯片，如實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲、計算、信號處理、數(shù)據(jù)流管理等功能，并最終以此為基礎，建立一個芯粒的芯片網(wǎng)絡（未來的電腦系統(tǒng)可能只包含一個CPU芯片和幾個GPU，這些GPU都連接到芯粒上，形成芯片網(wǎng)絡）。
以前設計一個SoC，是從不同的IP供應商購買一些IP，包括軟核（代碼）或硬核（版圖），結(jié)合自家研發(fā)的模塊，集合成一個SoC，然后在某個制造工藝節(jié)點上完成芯片設計和生產(chǎn)的完整流程。芯粒模式時代，對于某些IP，可能不需要自己做設計和生產(chǎn)了，而只需要購買別人己經(jīng)做好的芯片裸片（die），然后通過先進封裝形成一個SiP（System in Package）。所以芯粒也是一種IP，但它是以芯片裸片的形式提供，而不是之前以軟件形式提供。
芯粒模式可能帶給從上游EDA 工具、IC設計到制造工藝、先進封測等產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)顛覆式的創(chuàng)新革命。
芯粒發(fā)展現(xiàn)狀
理論上，芯粒模式是一種開發(fā)周期短且成本較低的方法，提供了先進工藝和主流成熟工藝選擇的靈活性，可以將不同節(jié)點工藝（10nm、14/16nm及22nm）、不同材質(zhì)（硅、砷化鎵、碳化硅、氮化鎵）、不同功能（CPU、GPU、FPGA、RF、I/O、存儲器）、不同半導體公司的芯片封裝在一起。
目前，芯粒模式還處于發(fā)展早期，美國主要圍繞DARPA的CHIPS（Common Heterogeneous Integration and IP Reuse Strategies，通用異構(gòu)集成和IP重用戰(zhàn)略）項目發(fā)展。在CHIPS項目中，有大型半導體企業(yè)如英特爾（Intel）、美光（Micron）等，有EDA工具開發(fā)企業(yè)如新思科技（Synopsys）、楷登電子（Candence），有大型防務公司諾斯羅普·格魯門（Northrop Grumman）、洛克希德·馬丁（Lockheed Martin）、波音（Boeing）等，還有高校如如密西根大學（University of Michigan）、佐治亞理工學院（Georgia Institute of Technology）、北卡羅萊納州立大學（North Carolina State University）。
2018年10月，7家公司成立ODSA（Open Domain-Specific Architecture，開放專用域架構(gòu)）組織，目前組織會員已超過50家，其目標是制定芯粒開放標準、促進形成芯粒生態(tài)系統(tǒng)、催生低成本SoC替代方案。換言之，就是將一系列模塊化芯片或Chiplets，通過裸芯片和裸芯片（die-to-die）的互連方案封裝集成。
迄今為止，已經(jīng)有很多公司創(chuàng)建了自己的芯粒生態(tài)系統(tǒng)。
1.美滿電子
美滿電子自創(chuàng)始人周秀文（Sehat Sutardja）博士在ISSCC 2015上提出MoChi（Modular Chip，模塊化芯片）架構(gòu)的概念以來，推出了一系列Virtual SoC產(chǎn)品，MoChi可以是許多應用的基準架構(gòu)，包括物聯(lián)網(wǎng)、智能電視、智能手機、服務器、筆記本電腦、存儲設備等。
圖片來源：ISSCC & Marvell
但遺憾的是，隨著創(chuàng)始人周秀文卸任CEO，已經(jīng)很久沒有聽到MoChi相關(guān)的新消息。
2.賽靈思
2017年Xilinx在HotChip發(fā)布第四代堆疊方案VU3xP，2018年推出包含3個16納米的FPGA和2個DRAM的首款采用CCIX接口的芯片，旨在從裸芯片層面證明CCIX能夠支持多核高性能Arm CPU和FPGA加速器實現(xiàn)一致性互聯(lián)。
3.超微半導體
AMD推出使用芯粒技術(shù)生產(chǎn)的代號為“羅馬Rome”的第二代霄龍EYPC Zen2架構(gòu)CPU芯片，內(nèi)部最多八個7nm CPU裸芯片和一個14nm I/O裸芯片，其中前者只有CPU核心、各級緩存和Infinity Fabric總線端口，得益于新工藝可以獲得更小面積、更強性能、更低功耗。后者專門獨立出來，集成輸入輸出、內(nèi)存控制器、PCIe控制器和Infinity Fabric總線端口，可以更方便、更高效地處理各個CPU核心、不同處理器的互連，而工藝之所以采用14nm，是因為它對新工藝不敏感，老工藝則更加成熟，成本也更低，符合不同IP采用最合適工藝的Chiplet設計原則。
據(jù)悉，AMD還將推出使用芯粒技術(shù)生產(chǎn)的代號為“米蘭Milan”的第三代霄龍EYPC Zen3架構(gòu)CPU芯片，內(nèi)部將集成15個裸芯片，比第二代多出6個裸芯片。
4.英特爾
英特爾針對互聯(lián)標準的挑戰(zhàn)，首先提出了高級接口總線（Advanced Interface Bus，AIB）標準。在DARPA的CHIPS項目中，英特爾將AIB標準開放給項目中的企業(yè)使用，旨在推動芯粒標準。AIB是一種時鐘轉(zhuǎn)發(fā)并行數(shù)據(jù)傳輸機制，類似于DDR DRAM接口。目前，英特爾免費提供AIB接口許可，以支持廣泛的芯粒生態(tài)系統(tǒng)，包括設計方法或服務供應商、代工廠、封裝廠和系統(tǒng)供應商。此舉將加速AIB標準的快速普及，有望在未來成為類似ARM的AMBA總線的業(yè)界標準。
英特爾在2014年公布EMIB（Embeded Multi-Die Interconnect Bridge：嵌入式多硅片互聯(lián)）技術(shù)的基礎上，于2018年底，更是將其升級為邏輯晶圓3D堆疊技術(shù)，命名為Foveros。使用Foveros技術(shù)，在二維平面上可以通過EMIB實現(xiàn)裸芯片之間的互聯(lián)，在三維垂直方向上還可以使用TSV（Through Silicon Via）實現(xiàn)裸芯片之間的堆疊。每個裸芯片所使用的工藝制程可以不一樣，通過高級封裝技術(shù)進行封裝，充分利用2D和3D的空間。
EMIB技術(shù)已經(jīng)在英特爾的Stratix 10 FPGA芯片上使用了，在未來英特爾的CPU/FPGA/GPU/AI等芯片上，我們可以期待Foveros技術(shù)的進一步落地。Foveros結(jié)合EMIB可以滿足各種不同應用、功率范圍和外形尺寸的需求，提供低成本、高性能芯片選擇。英特爾預計將于2019年下半年推出一系列采用Foveros技術(shù)的產(chǎn)品。首款Foveros產(chǎn)品將整合高性能10nm模塊芯片和低功耗的22nm基礎晶片。
2019年英特爾更是推出Co-EMIB技術(shù)，這是2D EMIB技術(shù)的升級版，能夠?qū)蓚€或多個 Foveros芯片互連，實現(xiàn)更高的計算性能和數(shù)據(jù)交換能力，還能夠以非常高的帶寬和非常低的功耗連接模擬器、內(nèi)存和其他模塊，基本達到單晶片性能。
5.臺積電
在2019年6月初于日本京都舉辦的VLSI Symposium期間，臺積電展示了自行設計的一顆芯粒“This”。采用7nm工藝，面積僅僅27.28平方毫米（4.4毫米x6.2毫米），采用CoWos（晶圓級封裝）。
采用雙芯片結(jié)構(gòu)，可以通過添加額外的PHY來進行擴展，芯片不同單元間以及不同芯片之間可以形成互聯(lián)。其一內(nèi)置4個Cortex A72核心，另一內(nèi)置6MiB三緩。標稱最高主頻為4GHz，實測最高居然達到了4.2GHz（1.375V）。臺積電稱，這款芯片是為高性能計算平臺設計。
與此同時，臺積電還開發(fā)了新型互連技術(shù)LIPINCON，每平方毫米Shoreline帶寬密度可以達到67Gbps，針腳速度會達到8.0Gbps，物理層的能耗效率是0.56pJ/b。預估2020年技術(shù)落地。
6.極戈科技
極戈科技主打快速芯片設計和制造，提出了一個稱為ZiP的集成平臺，通過獨特的“電路設計+封裝+ SDK+算法”，他們利用SaaS的模式提供芯片設計方案，也采用2.5D/3D封裝技術(shù)。基礎芯片是極戈技開發(fā)的硅基芯片，上層是第三方的模塊芯片，包括傳感器、通訊、存儲等，從而低成本、高速度地實現(xiàn)小體積，低功耗的系統(tǒng)集成。極戈科技采用Chiplet模式極大地縮短了物聯(lián)網(wǎng)芯片的研發(fā)周期，能夠?qū)⑽锫?lián)網(wǎng)芯片的設計制造流程從超過1年壓縮到2-4周。
來自極戈的ZiP芯片（來源：極戈科技）
國內(nèi)在系統(tǒng)集成方面也取得了不錯的成績：
長電科技是中國營收規(guī)模最大的封裝公司，在先進封裝技術(shù)和規(guī)?；慨a(chǎn)能力中保持領先，在eWLB、FO、WLCSP、BUMP、ECP、PoP、SiP、PiP等封裝技術(shù)已有多年的經(jīng)驗與核心專利的保護，對于Chiplet的發(fā)展也已奠定了應對的基礎。
華進半導體成功開發(fā)小孔徑TSV工藝，進而研發(fā)成功轉(zhuǎn)接板成套工藝，并且可基于中道成熟工藝實現(xiàn)量產(chǎn)，實現(xiàn)多顆不同結(jié)構(gòu)或不同功能的芯片系統(tǒng)集成。TSV直徑小，間距很密，可以實現(xiàn)高密度芯片封裝。芯片與芯片之間的互連通過平面內(nèi)的線路來實現(xiàn)，可以重新分布電源、接地和信號引腳，這些電學信號可以通過TSV，在底部進行信號輸入和輸出，從而明顯降低輸入輸出引腳數(shù)量。功能芯片無需改變現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)和設計，與不同芯片組合搭配，具有很高的靈活度和集成度，適合對尺寸有嚴苛要求的高頻高速的電子產(chǎn)品。所有的芯片和互連線被密封，只有幾個端口裸露在外，整個系統(tǒng)有更好的密封性和可靠性。同時，轉(zhuǎn)接板還可以進行散熱設計，來進行熱管理。
圖片提供：華進半導體
華天科技開發(fā)成功埋入硅基板扇出型3D封裝技術(shù)，該技術(shù)利用TSV作為垂直互聯(lián)，可以進行異質(zhì)芯片三維集成，互連密度可以大大高于目前的臺積電InFO技術(shù)。工藝已經(jīng)開發(fā)完成，與國際客戶進行的產(chǎn)品開發(fā)進展順利。
埋入硅基板扇出型3D封裝結(jié)構(gòu)示意圖（圖片提供：華天科技）
通富微電在先進封裝技術(shù)上積極耕耘。公司擁有wafer level先進封裝技術(shù)平臺（WLCSP、Cu pillar wafer bumping，solder wafer bumping，Au wafer bumping），也擁有wire bond + FC的hybrid封裝技術(shù)，還成功開發(fā)了chip to wafer、Fan-out WLP、Fan-out wafer bumping技術(shù)。公司瞄準5G時代的大數(shù)據(jù)、云計算、數(shù)據(jù)低延遲要求特點，正積極開發(fā)用于高性能計算（HPC）的2.5D interposer高端封裝技術(shù)。
芯粒的未來
SoC（系統(tǒng)級芯片）的集成度越來越高，先進工藝制程的芯片研發(fā)成本和制造成本呈幾何級倍數(shù)不斷攀升。過去，設計一款28納米芯片的研發(fā)成本約為5000萬美元，7納米的研發(fā)成本上漲到3億美元，而未來3納米芯片的研發(fā)成本將達到令人咂舌的15億美元之巨。已經(jīng)很少有Fabless公司，能夠承受得起這么昂貴的前期投入了。
隨著芯片制程從10nm7nm到5nm再到未來的3nm，每一次制程縮減所需要的成本和開發(fā)時間都在大幅提升。而且，當芯片制程接近1nm時，就將進入量子物理的世界，現(xiàn)有的工藝制程會受到量子效應的極大影響。而先進的工藝的玩家越來越少，10納米以下玩家未來可能只有臺積電、三星電子（Samsung）、英特爾、中芯國際（SMIC）。
一切都表明后摩爾定律時代確已降臨。產(chǎn)業(yè)界確實有了很多變化。
許居衍院士在報告中還指出，后摩爾時代的單片同質(zhì)集成向三維多片異構(gòu)封裝集成技術(shù)“改道”是重要趨勢，因為三維多片異構(gòu)封裝可以提供更高的帶寬、更低的功率、更低的成本和更靈活的形狀因子。當前，ODSA組織正在制定定芯粒開放標準、促進形成芯粒生態(tài)系統(tǒng)、 催生低成本SoC替代方案，在不久的將來，產(chǎn)呂公司就可以根據(jù)需求靈活選擇來自多個供應商的最佳芯粒，因此，降低了單片SoC高NRE的挑戰(zhàn)，贏得快速上市時間的好處。許居衍院士還表示，芯粒的搭積木模式集工藝選擇、架構(gòu)設計、商業(yè)模式三大靈活性于一體，有助力活躍創(chuàng)新，可以推動微系統(tǒng)的發(fā)展、推進芯片架構(gòu)創(chuàng)新、加快系統(tǒng)架構(gòu)創(chuàng)新、加速DSA/DSL發(fā)展、推動可重構(gòu)計算的發(fā)展和軟件定義系統(tǒng)發(fā)展。
巧合的是，中芯國際聯(lián)合首席執(zhí)行官趙海軍博士在日前的題為《立足中國，布局未來，迎接集成電路產(chǎn)業(yè)新發(fā)展》的報告中同樣看好芯粒模式。他在報告中表示，摩爾定律紅利剩下的節(jié)點不多了，但系統(tǒng)的復雜度需求仍將按原來的軌道繼續(xù)走下去，多出來的部分功能放在另外的芯片里，然后類似積木一樣拼接堆疊起來，循環(huán)往復，以至無窮；同時工藝技術(shù)的學習曲線成本太高，把一個大芯片分成幾個小芯片來生產(chǎn)，可以避免裸芯片的尺寸繼續(xù)增大，各個裸芯片可以使用不同的最佳工藝，使得良率大大提高，提前完成升級換代；而且新一代大芯片全覆蓋開發(fā)成本太高，重復使用原有節(jié)點設計的IP，可以有效節(jié)省費用和加快上市時間；但是，不同人獨立設計的單芯片，如CPU和存儲器，在組合的時候性能損失嚴重，就像限速和紅燈使得寶馬車和豐田車跑得一樣慢 ，所以需要多芯片組合的歸一化設計。因為不同的芯粒需要協(xié)同設計，通過同一個設計師或者使用同一個通信IP，而產(chǎn)品公司不愿意讓一家晶圓代工公司把所有的芯粒都做了，所以不會全盤采用晶圓代工公司提供的IP方案，從而為封裝代工公司提供了機會，未來封裝代工公司可以提供更多的公用IP來支撐芯粒模式。
而剛于2019年7月正式加入武漢弘芯的前臺積電共同運營官蔣尚義也表示，美國DARPA推動的電子產(chǎn)業(yè)振興計劃（ERI）推動芯粒模式，開始啟動主導標準，蔣尚義建議國內(nèi)建立本土一套自己的芯粒標準，促進中國實現(xiàn)自己的標準。
芯粒模式的挑戰(zhàn)
許居衍院士在報告中強調(diào)，芯粒模式成功的關(guān)鍵在于芯粒的標準和接口。作為一種創(chuàng)新，芯粒模式存在多種挑戰(zhàn)。
首先是來自技術(shù)層面。芯粒的組裝或封裝尚缺乏統(tǒng)一的標準。目前各大玩家都有自家的方案，盡管各家的名稱不同，但歸總離不開硅通孔、硅橋和高密度FO技術(shù)，不管是裸片堆疊還是大面積拼接，都需要將互連線將變得更短，要求互連線做到100%的無缺陷，否則整個芯片無法工作。
其次是質(zhì)量保障問題。相對傳統(tǒng)軟IP，芯粒是經(jīng)過硅驗證的裸芯片，可以保證物理實現(xiàn)的正確性。但如果其中的一個裸芯片有問題，則整個系統(tǒng)都會受影響，代價很高。因此要保證芯粒100%無故障。當然這其中也包括集成后的測試，封裝后，可能有部分芯?？赡芡耆珶o法直接從芯片外部管腳直接訪問，給芯片測試帶來的新的挑戰(zhàn)。
第三就是散熱問題。幾個甚至數(shù)十個裸芯片封裝在一個有限的空間中，互連線非常短，讓散熱問題變得更為棘手。
第四是芯片網(wǎng)絡問題。盡管每個芯粒本身設計不會發(fā)生死鎖，其通信系統(tǒng)都可以很好地工作，但是當它們?nèi)窟B接在一起形成芯片網(wǎng)絡時，就可能出現(xiàn)了交通死鎖與流量堵塞問題。超微半導體研究人員最近提出一種消除死鎖難題的方案，如果能夠徹底解決死鎖問題，那么芯粒將為未來計算機設計的發(fā)展帶來新的動力。
第五是供應鏈重塑問題。在芯粒模式下，EDA工具提供商、芯片提供商、封測提供商都要有所改變。比如芯粒模式中出現(xiàn)的問題可能最終都需要通過EDA工具的改進來給出答案，需要EDA工具從架構(gòu)探索、到芯片實現(xiàn)、甚至到物理設計提供全面支持。還有來自不同的芯片提供商的裸芯片進入封裝提供商工廠的進度同步問題。
誰將笑到最后
好比撲克游戲，“摜蛋”是在原有的撲克游戲 “跑得快”和“八十分”基礎上發(fā)展演化而來，摜蛋的最大魅力在于牌際組合間的變數(shù)，新手往往先把牌配死，并擬好出牌計劃，然后守株待兔，這是初級階段的呆板打法，完美的靜態(tài)組合加上動態(tài)變化才是取勝之道。
芯粒模式就是一個新牌局，芯粒模式及其商業(yè)化還在探索中，商業(yè)模式創(chuàng)新可能會帶來新的出路。
芯片設計公司可以將自家的芯片以IP方式提供，IP供應商可以將軟核以硬核的方式提供，芯片制造商和封裝測試供應商可以提供整體的封裝方案，分銷商也可以提供進行芯片整合。甚至某些天才工程師完全可以成立獨立設計工作室，去做自己擅長的特定功能芯片，然后以芯粒模式出售給芯片產(chǎn)品公司。
封裝進入新階段，笑看天下風云起。芯粒模式將極大改變封裝業(yè)的格局，進而改變整個芯片產(chǎn)業(yè)格局。