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芯片之外，Chiplet（“小芯片”）正逐渐进入行业视野。
小芯片并不是传统意义上的“芯片”。事实上，“小芯片”可以说是一种高级封装技术，是一种绕过摩尔定律的思维：我们不一定非要把芯片缩得越来越小，而是把芯片的集成电路板甚至是主机变得越来越小。它的出现有何意义，又将给行业带来哪些改变？
颠覆时代？
众所周知，集成电路行业有着这样一条金科玉律——摩尔定律，即集成电路上可容纳的晶体管数目，每隔18-24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。按照摩尔定律，几十年来，我们都在追求在更小的芯片上塞满更多的晶体管，几乎两年翻一番。但物理学总是难以违逆的，摩尔定律目前已经持续逼近极限。在此背景下，集成电路厂商正在尝试不依赖制程工艺进步，转而在材料、封装上下功夫，Chiplet即是典型技术之一。而“小芯片”的概念很有可能以逆转思维颠覆时代。
图：根据AMD公布的内部估计，摩尔定律正在下滑
事实上，小芯片也并不是什么新鲜的事物。根据谷歌搜索趋势，小芯片作为搜索术语可追溯到2004年，但这个热情很快就消退，直到2019年才开始真正上涨。
图源：“chiplet”的谷歌搜索趋势
Chiplet是把不同功能的芯片封装在一块PCB上面，通过这样的做法来提高系统的集成度。它的目标是通过在 IC 封装中集成预先开发的芯片来减少产品开发时间和成本。以前芯片由多个IP核心集成后统一封装成单片芯片，而小芯片方法可将来自不同公司设计和封装的小芯片组合在一起，从而构建更为高效和经济的芯片系统。
具体来看，使用chiplet至少具备两大优点：一是提升了良率，如果使用大芯片，在芯片的晶圆面积上只要出现瑕疵，那么整个芯片就有了瑕疵，无法作为良品使用；但是如果把同样面积的芯片拆分为多个chiplet，那么出现瑕疵的话就仅仅是单个有瑕疵的chiplet无法使用，其他chiplet则不受影响，这样就提升了良率，而这对于良率存在挑战的先进半导体工艺至关重要。二是，Chiplet另外的潜力在于可以实现更灵活的异构集成，在同一封装系统中不同的chiplet可以使用不同的半导体工艺实现，从而进一步降低成本（例如某些对于逻辑性能需求不高的模组可以使用成熟工艺）并提升性能。
无疑，在“后摩尔定律”时代，小芯片可作为一种解方，可能带给从上游IC设计、EDA 工具、制造工艺、先进封测等各个产业链环节颠覆式的改变，是IC业继续发展最有效的手段。
巨头入局
也正是基于上述优点，小芯片持续受到市场的关注，成为AMD、英特尔、台积电、Marvell、Cadence等芯片巨头为摩尔定律续命的共同选择之一。而2D、2.5D、3D 封装等技术则是达成 Chiplet 的解决方案。
2018年底，Intel首次公开名为“Foveros”的全新3D芯片封装技术。通过Foveros，英特尔将能够整合各种芯片叠加在一起，包括CPU，内存和其他芯片，而无需担心各自的底层制造技术。
利用这项技术，英特尔推出了代号为“Lakefield”的 3D CPU 平台，将一个 10 纳米处理器内核与四个 22 纳米处理器内核结合在一个封装中。在研发方面，英特尔正在开发其他基于小芯片的产品，包括 GPU。
AMD 也基于这个概念推出了多芯片处理器。AMD第二代EPYC服务器处理器Ryzen采用小芯片设计，将先进的台积电7nm工艺制造的CPU模块与更成熟的格芯12/14nm工艺制造的I/O模块组合，7nm可满足高算力的需求，12/14nm则降低了制造成本。同时，采用更成熟制程的I/O模块还有助于整体良率的提升。2020年的最后一天，AMD向美国专利商标局提交了一项新专利，勾勒了未来的GPU小芯片设计。
今年5月三星宣布其2.5D封装技术Interposer-Cube4（I-Cube4）完成开发。三星的I-Cube4同样是一种异构集成技术，可以将一个或多个逻辑芯片或HBM通过中介层集成在一个芯片里，有望应用于HPC、AI、5G和数据中心等领域。
其它代工厂以及 OSATs（进行IC封装和测试的公司）也正开发小芯片策略。例如，台积电正在开发一种称为集成芯片系统 (SoIC) 的技术。SoIC 为在封装中集成具有不同工艺节点的较小芯片铺平了道路。SoIC 采用先进的芯片堆叠技术，使客户能够开发类似 3D 的架构。堆叠技术是使用芯片键合完成的，它可以将两个芯片键合在一起或将一个芯片键合到一个芯片上。该方案可以实现将几种不同类型的芯片（例如处理器、内存或传感器）堆叠和链接到一个封装实体之中，因此得到的芯片尺寸更小，性能更强，能耗也更低。目前台积电的SoIC已能做到12层堆栈(每一层是50微米，等同于头发的50%，头发是100微米)。
此外，格芯、联电和其他公司也在开发类似的晶圆键合技术，有望实现新型芯片。
值得关注的是，半导体领军人物蒋尚义同样倾心于Chiplet先进封装。去年12月，蒋尚义回归中芯国际，主要负责公司先进封装尤其是Chiplet封装技术。在接受采访中，蒋尚义透露，自己执着于追求先进封装、小芯片等系统整合的技术，本次回到中芯国际的目的是协助中芯国际成为世界一流公司，以及在中芯国际实现其自身的技术追求。
大陆封测龙头长电科技面向Chiplet异构集成应用则推出了XDFOI全系列的解决方案，包括2D chiplet、2.5D chiplet、3D chiplet等，可灵活实现异构集成。
仍存挑战
虽然有不少公司已经使用小芯片开发了多芯片设计，但其实开发这些产品仍存挑战。
首先，市场上没有单一的标准芯片到芯片互连或接口解决方案。如今，现在主要有两种小芯片die-to-die接口技术方案，即 AIB 和 XSR。其中，AIB是英特尔推出的一种在小芯片之间传输数据的接口方案和互连标准。多年来，英特尔一直在生产带有AIB接口的产品，在其Stratix 10 FPGA上就使用了AIB接口来集成多种不同的小芯片。由OIF设计的通用电气 I/O (CEI) 112G XSR（超短距）接口可用于小芯片和光学引擎。
但AIB和XSR并不适合所有应用程序。为此，开放域特定架构组织（ODSA）正在定义另外两个接口—线束 (BoW) 和 OpenHBI。从目前的发展来看，每种技术都有自己的优点，但行业还未能围绕一种标准统一起来。
其次，组装问题、设计工具支持、测试和良率，也是小芯片要面临的挑战。就以良率为例，封装需要裸片具有适当的良率，也被称为良品白片。封装中有一个坏晶粒就可能导致产品或系统故障。再进一步探讨，如果封装失败，那么最大的问题便是谁来负责，是芯片供应商、IP 供应商还是封装厂？这都是摆在现实的问题。
再者，由于缺乏生态系统支持等问题，小芯片的采用在业界受到了限制。毕竟并非所有公司都有内部组件，有一些是能够获得的，还有一些则还未准备好。当前企业面临的挑战是找到必要的零件并将其集成，而这将花费不少时间和资源。
还有一个关键是散热问题，当芯片堆栈越来越多，中间芯片的散热要如何克服，也成为材料与制程再创新的重点研发方向，攻克之路还有很多难题需要面对。
当然这些挑战行业也正抓紧克服，随着时间的推移，小芯片将不断发展。市场研究认为，“小芯片”正被更高级和高度集成的半导体设备采用。例如，微处理器（MPU），片上系统（SOC）设备，图形处理单元（GPU）和可编程逻辑设备（PLD），尤其MPU是最受欢迎的。
知名市场研究机构Omdia预测，小芯片将在2024年全球市场规模扩大到58亿美元，较2018年的6.45亿美元增长9倍。而长远来看，2035年小芯片市场规模有望增至570亿美元。
图：2018-2024年全球小芯片市场收入（来源：Omdia）
Omdia认为，“小芯片”将在未来4年内成为集成了图形、安全引擎、人工智能（AI）加速、低功耗物联网（IoT）的应用处理器，这将是其58亿美元市场的最重要因素。
知名业内专家莫大康认为，Chiplet的出现，也能够为半导体产业带来新的机会。他提到，“Chiplet的迭代周期远低于ASIC，可提升晶圆厂和封装厂的产线利用率。与此同时，Chiplet技术也有助于建立可互操作的组件、互连、协议和软件生态系统。”
但是，业内也有声音认为小芯片将不会占据主导地位。它也不会替代传统的SoC，毕竟没有一项技术能满足所有需求，所以多架构依然有发展空间。
英特尔工艺产品集成总监Ramune Nagisetty提到：“设备的类型和数量正在不断增加。我认为并非所有产品都会采用基于小芯片的方法。在某些情况下，单片模具将是成本最低的选择。但是对于高性能产品，可以肯定地说，小芯片方法将成为一种规范，虽然这种技术还未成熟。”
结语：从目前的发展来看，单靠小芯片来延续摩尔定律几乎不现实，但值得肯定的是，得益于其集成、灵活、经济等优势，小芯片的市场前景依旧可期。在“后摩尔时代”，小芯片能掀起多大的浪花？这是小芯片面临的挑战，也是“后摩尔时代”不确定性的魅力所在，而此刻还仅是开端。（校对/holly）
