後摩爾定律時代，被寄予厚望的Chiplet是什麼技術？
【文/觀察者網 呂棟 編輯/周遠方】
8月19日，在2022世界半導體大會暨南京國際半導體博覽會上，CIC灼識諮詢合夥人趙曉馬提出，隨着半導體行業進入後摩爾定律時代，新集成Chiplet和新材料SiC是未來的發展方向。
其中，Chiplet在GPU、FPGA等高算力領域潛力巨大，2021年全球Chiplet市場規模達到18.5億美元，預計未來五年仍將以46%的年均複合增長率高速增長；新材料SiC製成的第三代功率半導體器件未來將在製造工藝、結構改善方面進一步突破，商業化進程有望加速，2021年全球SiC器件市場規模已達84億元人民幣，預計2026年將增長到199.5億元人民幣。
基於Chiplet技術的芯片結構示意 圖源：英特爾
Chiplet被“寄予厚望”
在集成電路早期發展中，技術進步的主要驅動力是依靠尺寸微縮。所謂摩爾定律是指，集成電路上可以容納的晶體管數目在大約每經過18個月到24個月便會增加一倍。換言之，處理器的性能大約每兩年翻一倍，同時價格下降為之前的一半。
從1971年到2003年，在尺寸微縮佔主導的時代，集成電路經歷了11代技術更新，尺寸實現從10微米到130納米的突破，晶體管的數量從2300增加到5.92億，但單個CPU的面積幾乎沒有增加，工藝的進步可以給集成電路帶來很大的性能提升。在尺寸微縮的最好時期，一代技術可以為計算機帶來50%以上性能的提升，大大促進個人電腦和服務器的發展。
當單純依靠尺寸微縮提升芯片性能的空間變小時，則出現了將不同功能的電路集成在一起，依靠尺寸微縮和設計優化兩條路提升芯片性能。SoC就是將更多性能集成在單一芯片上，促進了手機/嵌入設備的發展。以CPU為例，單核處理器性能難以進一步提升時，採用了多核處理器提升性能，進一步採用了異構多核的架構、協處理器以及GPU架構、專用處理器等。
不過，隨着處理器的核越來越多，芯片複雜度增加，設計週期越來越長，成本大大增加，SoC芯片驗證的時間、成本也在急劇增加，大芯片快要接近製造瓶頸，特別是一些高端處理芯片、大芯片，單純靠傳統的SoC這條路走下去已遭遇瓶頸，需要從系統層面來考慮。
圖源：灼識諮詢
灼識諮詢指出，後摩爾時代，Chiplet由於其高性能、低功耗、高面積使用率以及低成本受到廣泛關注，在延續摩爾定律的“經濟效益”方面被寄予厚望。
Chiplet通常被翻譯為“芯粒”或“小芯片”。單從字面意義上可以理解為更為“粒度更小的芯片”。通過半導體制造將若干“芯粒”集成，而非純粹封裝集成，以此形成複雜功能芯片，可以突破單芯片光刻面積的瓶頸，突破設計週期制約等。
舉例來説，在一顆7nm製程芯片中，一些次要的模塊可以用如22nm的製程做成Chiplet，再“拼裝”至7nm芯片上，原理如同搭積木一樣，這樣可以減少對7nm工藝製程的依賴。
8月初以來，包括大港股份、芯原股份、中京電子、同興達、蘇州固鍀、中富電路、朗迪集團、晶方科技、長電科技、通富微電、華天科技、華峯測控在內的多隻Chiplet概念股表現活躍。
基於Chiplet技術的芯片結構示意
灼識諮詢報告指出，儘管Chiplet的標準化才剛剛起步，但它已在高性能CPU、FPGA等領域表現出獨特優勢，未來市場空間巨大。Chiplet也已吸引英特爾和AMD等國際芯片廠商投入相關研發，在當前SoC遭遇工藝節點和成本瓶頸的情況下有望發展成為一種新的芯片生態。
市場信息顯示，華為於2019年推出了基於Chiplet技術的7nm鯤鵬920處理器；AMD今年3月推出基於台積電3D Chiplet封裝技術的服務器處理芯片；蘋果則推出了採用台積電CoWos-S橋接工藝的M1 Ultra芯片。
中國科學院院士劉明日前在一場講座上指出，集成芯片是摩爾時代國際集成電路技術創新的前沿，為我國提供了一條基於自主低世代集成電路工藝研製高端芯片的新途徑。“中國有巨大的市場，依靠產業來推動，可能也可以形成自己的標準和生態，大家倡導很久的硬件開源，也許會搭載這樣一個機遇得以實現。”
灼識諮詢報告提到，Chiplet模式落地必須實現異構芯片的集成，其中涉及兩個難點：異構芯片之間的互連、集成性能的優化，先進封裝技術是後者的關鍵。目前行業內主要的先進封裝工藝有倒裝封裝、晶圓級封裝、2.5D/3D封裝以及SiP系統級封裝等，後三者是行業焦點。
全球SiC襯底市場被國外廠商主導
按照材料性質劃分，半導體襯底目前大致可分為四代，其中第三代以碳化硅（SiC）為代表。
據灼識諮詢報告，目前SiC二極管和SiC MOSFET已實現商業化，與傳統解決方案相比，具有多方面性能優勢，是高温、高頻、大功率、高壓場景的理想器件，能使系統效率更高、重量更輕、結構更緊湊。
在產業鏈上，SiC功率器件主要分為上游原材料設備、中游器件模塊和下游應用；在SiC功率器件領域，IDM（設計、製造、封裝一體化）和Fabless（純設計）各有優劣，其中IDM在工藝設計互動、研發迭代速度、研發迭代成本方面具有優勢。
在下游應用中，SiC功率器件主要應用在電動汽車、新能源發電、開關電源、軌道交通和智能電網等領域，有利於功率密度和效率提升，在部分領域開始取代Si器件，市場潛力巨大。
灼識諮詢報告顯示，全球SiC功率器件市場規模逐年上升，2021年全球SiC器件市場規模已達84億元人民幣，預計2026年將增長到199.5億元人民幣。其中，新能源汽車和工控為增長較快的應用領域。中國SiC器件市場發展迅速，在全球市場的份額逐步增長，2017年為9%，預計2026年有望達到56%。
SiC產業鏈結構與硅基功率半導體類似。不過，硅基器件晶圓製造成本佔比大，而SiC器件襯底和外延佔比最高，其中襯底佔據成本的半壁江山，因此襯底供應商掌握着碳化硅產業鏈的核心話語權，而全球SiC襯底市場主要被國外巨頭佔領，2021年美國Wolfspeed的市佔率達到62%。
灼識諮詢報告指出，國內廠商SiC器件襯底規劃投資規模大，而投資落地情況不足預期，有效產能不足。據統計，截至2021年中，全國碳化硅襯底規劃投資超300億元，預計規劃年產能大約200萬片，而2021年全國碳化硅產能則小於30萬片。
“未來SiC器件製成難點將逐步突破和解決，SiC功率器件結構的改善將帶來性能及可靠性的顯著提升，使用SiC的各種類型器件不斷推出，推動SiC產品在大功率領域的商業化應用。”報告稱。
本文系觀察者網獨家稿件，未經授權，不得轉載。