“Chiplet（芯粒）‘上車’是大勢所趨。”清華大學交叉信息核心技術研究院教授、北極雄芯創始人馬愷聲告訴《中國科學報》，“從北極雄芯的角度判斷，2024年將是芯粒車載芯片元年。”
不久前，北極雄芯完成新一輪超億元融資，用于下一代通用芯粒及功能型芯粒的開發，以及高速互聯芯粒接口等基礎技術的研發。此前，北極雄芯曾獲圖靈創投、紅杉中國種子基金、SEE FUND、青島潤揚、韋豪創芯、訊飛創投、中芯熙誠等多家投資機構青睞。
除北極雄芯外，今年在芯粒賽道上異軍突起的還有其他黑馬。
今年8月，芯礪智能宣布半年內獲得近3億元天使輪及產業輪融資，用于研發車載大算力芯粒；今年6月，成立僅兩個月的原粒半導體很快收獲了數千萬元種子輪融資……
資本青睞、股市活躍，2023年的芯粒領域可謂“靜水流深”，而更多的企業在等待2024年“上車”的機遇。
基于Chiplet異構集成的智能處理芯片。受訪者供圖
兩條路徑，一種選擇
“芯粒通常指預先制造好、具有特定功能、可組合集成的晶片，也稱為‘小芯片’。”中國科學院計算技術研究所（以下簡稱計算所）研究員韓銀和對《中國科學報》說。
簡單說，芯粒技術可以將片上系統（Soc）的功能拆分成多顆小芯片，然后運用先進封裝技術，重組成一個龐大復雜的系統，以此降低芯片總成本。通過基板集成制造技術，芯粒可滿足通用處理器、存儲器、圖形處理器、加密引擎、網絡接口等各種功能集成的應用需求。
“相比于普通芯片，芯粒技術有3個核心優勢。”韓銀和補充說，“一是支撐算力持續突破；二是進行不同工藝芯粒的集成；三是減少芯片設計、制造的時間和費用。”
隨著人們對計算和存儲能力需求的持續增長，算力提升面臨諸多壁壘，如何“破墻”是國內外亟待解決的問題。
在韓銀和看來，提高算力除采用先進設備和工藝進行尺寸微縮外，還可以通過擴大芯片面積來增加晶體管數量，從而提升芯片性能。芯粒技術通過多芯集成，可達到提升芯片性能的目標。
復雜芯片內通常包含多種不同模塊。傳統芯片為實現高性能，需要全部采用先進工藝制造。而以手機芯片為例，除計算模塊外，還有存儲、接口等多種模塊。通過細分這些模塊，可用14納米工藝制造接口模塊，一些模擬電路甚至只需28納米工藝就能滿足要求，而計算部分則可用7納米工藝來實現。
“集成芯片技術還能實現基于不同架構芯粒的集成，從而減少前端設計和流片制造成本。”韓銀和說，“大算力芯片設計時間和成本劇增，例如英偉達設計的Xavier SoC每年要投入2000人。而集成芯片則可以通過‘異構組合’實現芯粒復用，從而更加靈活地定制芯片功能及擴展算力。在當前先進工藝受阻的背景下，集成芯片提供了一條利用自主工藝研制高性能芯片的可行路線。”
芯粒技術有諸多優勢，因此受到全球關注。但對于中美兩國來說，出發點并不一致。
“對于芯粒，美國是將其作為摩爾定律盡頭一條‘沒有其他選擇的’路徑。而在中國，它是現有條件下解決算力問題的一種選擇。”馬愷聲說，“兩者的出發點不同，因此決定了技術路徑也有差異。”
“上車”是大勢所趨
2010年，臺積電的芯片專家蔣尚義提出“先進封裝”概念，即通過半導體互連技術連接兩顆芯片，突破了單芯片制造的面積上限，這被認為是芯粒技術的雛形。
2013年，臺積電與美國賽靈思（Xilinx）公司推出一款大容量芯片V7200T。它將4個芯粒連接在一塊硅基板上，形成一個超2000個可編程邏輯門的系統。此后，“模塊化”的設計思想與方法得到進一步發展。
2018年，計算所、清華大學、華為、中芯國際等開始關注這一技術。一開始，大家將Chiplet譯為“小芯片”，在韓銀和等人倡導下，又將其譯為“芯粒”，并得到學界和業界的認可。
同年，馬愷聲等人用半年多時間調研各種計算范式，發現想快速量產芯粒，利用現有硅基技術的產能和產線，以“搭便車”的方式結合或改造是不錯的選擇。
馬愷聲認為，芯粒技術受到資本追捧，是因為資本敏銳意識到，芯粒并非“國產替代”，而是“一個有創新性的東西”。但目前大家對芯粒“感興趣的多，觀望者多，真正下場做的企業卻非常少”。
“主要是產業方面還不成熟，東西太新、風險較大。”馬愷聲解釋說，該領域牽扯到架構的拆分、拼接及數據通路的完備考慮，需要軟件上做適配，還要時刻關注芯粒帶來額外面積的代價。
“芯粒的真正魅力在于‘異構’，在于能和其他芯粒連接，但現在市場上沒有幾個芯粒。”馬愷聲說，“即使把以上的步驟都‘跑通了’，也只能跟自己的一兩個晶片拼接起來，收益有限。”
因此，北極雄芯一直堅持走異構芯粒路線，跟國產的供應鏈耦合，給國內封裝企業下訂單，促進上下游同時進步。
“Chiplet‘上車’一定是大勢所趨。預計到2030年有34%至50%的汽車中央域控芯片采用芯粒技術。”馬愷聲說，“我們想先把這條路走通，給大家‘打個樣兒’。”
在北極雄芯的投資方豐年資本合伙人潘騰看來，芯粒技術定能在多個應用領域發揮破局作用。北極雄芯憑借深厚的技術背景以及扎實的產品邏輯，會助力我國汽車智能化和人工智能計算持續發展。
兩種角度思考布局
近年來，我國在高集成度芯粒領域研發方面取得了巨大進展。
2022年，計算所智能計算機中心和之江實驗室聯合開發了“之江大芯片一號”。該芯片集成了16個芯粒，每個芯粒包含16個CPU核，芯粒集成度實現突破。同年，復旦大學集成芯片與系統全國重點實驗室用可擴展架構，研制出多芯粒集成的存算一體2.5D芯片，實現了系統算力與存儲規模按芯粒比例線性增長。
今年，國家自然科學基金委員會啟動“集成芯片前沿技術科學基礎重大研究計劃”，推動國內在集成芯片和芯粒方面的基礎研究。
“這是一個重要的節點，也是我國在集成電路設計領域率先開展基礎性、前瞻性研究的一個重要研究計劃。”韓銀和說。
目前，國內研發機構與頭部企業在芯粒領域已經開始互連標準制定工作。計算所、華為等都在牽頭開展相關工作。
在剛剛結束的中國集成電路設計業2023年會（ICCAD）上，中國半導體行業協會集成電路設計分會理事長魏少軍說，任何一個產品能否持續發展，技術因素確實重要，但經濟性才是決定性因素。芯粒可在很大程度上降低使用最先進工藝的要求，在成本上大大降低先進工藝帶來的高額費用，確實有吸引力。“芯粒有可能派生出按照應用需求，通過混合堆疊和集成打造芯片級系統的新商業模式，甚至新業態。”
對此，韓銀和有類似的看法：“集成芯片是一條可以用自主工藝研制高性能芯片的技術途徑。我們可以從技術趨勢和產業競爭兩個角度看待。”
韓銀和認為，首先，站在產業角度，要把芯粒作為一個生態體系來規劃和發展。在集成芯片這一新興賽道上，需要以應用為牽引，體系化地以芯粒生態和目標開展標準規范的制定，鼓勵芯片廠商對外提供第三方芯粒產品形態。
其次，芯粒集成生態的發展應與EDA、RISC-V開源體系、大容量存儲器、光口互連等戰略產品布局結合，增大芯粒集成芯片生態的寬度和高度，形成核心競爭力。
最后，在技術上要發展當前急需的先進集成封裝技術，改變當前只有少量芯粒可以集成的產業現狀。以高性能計算和智能物聯網市場為牽引，圍繞大尺寸集成和異構異質設計開展新技術、新工藝和新材料體系攻關，形成自主、安全可控的芯片設計新范式。
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