Chiplet，面临成本挑战

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Chiplet 正在成为半导体市场发展的一个重要新阶段，它提供了一种超越光罩尺寸限制，持续提升性能的方法。然而，这种改进的成本高昂，复杂性也大幅提升，迄今为止，这限制了其应用。

成本上升的主要原因之一是采用小芯片时需要先进封装，这代表着半导体设计、制造和测试方式的根本性转变。由于没有固定的方案，先进封装需要投入额外的时间、精力、专业知识和实验。标准最终可能有助于降低风险，但目前尚不清楚先进封装的成本是否会超过传统封装。

“没人真正知道什么时候chiplet技术会在汽车、工业和类似市场中真正发挥作用，”弗劳恩霍夫IIS自适应系统工程部高效电子负责人安迪·海尼格（Andy Heinig）表示。“这不仅仅是标准的问题。这或多或少是一场关于它何时真正具有经济意义的讨论。”

Chiplet在某些方面确实很出色。

Chiplet的设计理念在很大程度上推动了其发展，因为成本比可行性和/或性能更重要。“我们看到数据中心芯片取得了很大进展，但这是因为单芯片尺寸过大，”Heinig 说道。“现在芯片尺寸已经达到了光罩尺寸，很容易将一块芯片切成两半。”

一般来说，芯片越小、越专用，良率就越高，这反过来可以抵消先进封装的部分额外成本。早期参与者仍在不断推进，这表明这是一个净利好。

扩展某些电路仍有益处。先进的工艺节点可以提供旧工艺无法提供的性能和功耗改进。需要这种性能的前沿系统可以选择——构建单片芯片或采用芯片集。芯片集的优势在于并非所有电路都需要在同一节点构建。如果它们能够采用更低成本的工艺和更低的掩模成本来制造，将有助于降低硅片实现的总成本。因此，部分硅片开发成本应该会降低，尽管先进封装设计所需的额外工作可能会消耗部分节省的成本。

Chiplet 的优势还在于，单个 Chiplet 可以设计用于多种产品。初期开发成本较低，现在可以分摊到多种产品上，进一步降低成本。

Synopsys产品管理总监 Rob Kruger 表示：“也许你的某个应用的 I/O 不会发生太大变化，你可能会在两三代产品中重复使用这些芯片。然后，你只需重新设计处理算法发生变化的芯片。一旦你拥有了这套芯片，并且它们能够协同工作，那么你就可以进行混合搭配，并从低端到中端再到高端进行扩展。”

如果成本是首要考虑因素呢？

上面列出的许多好处都体现了成本节约，但只有在特定条件下才能实现，例如：

• 芯片尺寸将大于光罩；

• 芯片尺寸过大，无法实现经济效益；

• 需要先进的工艺，并且一家公司生产高性能系列产品，可通过小芯片扩展功能。

模拟和其他非CMOS功能，例如存储器、MEMS和光学器件，也可以从基于芯片的方法中受益。多年来，业界一直在微控制器 (MCU) 中集成CMOS、模拟和存储器，这些功能通常用于注重成本的系统中。因此，一些历史经验表明，在这些价位上进行单片集成可以实现成本效益。相比之下，除了传感器/执行器信号调理和控制之外，MEMS和光学器件与CMOS的集成一直受到限制。

国防市场也提供了一些机会，像美国国防部高级研究计划局 (DARPA) 这样的机构一直是推动 Chiplet 技术发展的重要力量，并且在一定程度上注重价格敏感性。但在价格敏感型市场，对 Chiplet 的兴趣显著下降。

封装成本能否大幅降低？

消费级和工业级客户主要关注 MCU，其价格通常低于 10 美元。任何程度的成本节约都不是坏事，而将单片芯片拆分开来，或许能带来一些名义上的成本节约，因为良率会略有提高。但无论如何，大多数注重成本的芯片良率都很高，因此这种节省可能并不会太多。

芯片分解的一大变化是从标准封装转向先进封装。毫无疑问，如今先进封装的成本远高于标准封装。封装本身的成本可能高于某些芯片的平均价格。

“我在 Chiplet 峰会上做了一个演讲，提到了成本可能在 10 到 20 美元之间的套餐，”Heinig 说。“然后我之后的一次演讲却说，‘抱歉，我的套餐只能卖 20 美分。’”这简直是 100 倍的差距。

中介层还带来了其他问题。Promex 首席运营官 David Fromm 表示：“很多人无法获得中介层，无论是排队购买还是付费购买，都无法获得。”

为了降低成本，一些公司正在努力摆脱硅中介层。“现在，他们正在转向其他技术中介层（例如玻璃），然后再转向带有硅桥的引导基板，”Synopsys 的 Kruger 说道。

未来成本能否下降到足以改变现状还有待观察。毫无疑问，在充分学习和建立标准实践之后，先进封装的成本将会下降。但真正的问题是，它的成本是否会降到低于传统封装的成本。

“如果我们谈论的是引线键合或倒装芯片封装，可能不行，”加州大学欧文分校电子工程与计算机科学系助理教授Boris Vaisband表示。“我怀疑我们是否会设计基于小芯片的洗碗机芯片或真正低端的产品。但我相信在中端规模上，这方面还有发展空间。”

日月光公司(ASE)研究员兼高级技术顾问 Bill Chen也认同这种观点，认为先进封装的成本有可能低于简单的引线键合封装。“说到引线键合，我会想到我们台湾的工厂，那里的自动化程度很高，”他说道，“一个操作员就能操作 20 到 30 台引线键合机。因此，我很难想象先进封装组装的自动化能够超越那些工厂。”

集成能节省成本吗？

传统上在一块PCB上使用多个芯片的低成本系统也能从Chiplet技术中受益。在某些情况下，这种好处可能是节省空间。如果是这样，那么在优先级方面，成本就被面积所取代。但在很多情况下，价格仍然是一个障碍。

这里的关键变量是集成能否降低成本，而这取决于集成的内容和集成的难度。如果集成芯片的总成本很低——比如说在 10 美元左右——那么短期内很难推出具有成本效益的基于 Chiplet 的产品。随着先进封装成本的下降，任何成本的增加都可能减少，从而减轻成本负担。

如果其中一个集成芯片价格较高，那么在该封装中添加几个其他芯片组可能是一个成功的策略，从而可能降低总体成本。“由于集成了所有组件，该应用的成本会更低，”ASE 的陈先生观察到。

长远考虑

将 MCU 拆分成多个 chiplet 可能会在一代产品中增加成本。但如果策略性地进行，那些不太可能发生变化的电路（例如成熟的 I/O）可以分离到 chiplet 中，以便在未来版本中重复使用。在未来版本中，只有功能发生变化的 chiplet 才需要重新设计，而且该开发项目所需的投资将比第一个项目少得多。

Gen2 的预期节省能否计入 Gen1 的价格，以保持其竞争力？如果不能，并且你是竞争对手中第一个这样做的，那么 Gen1 更高的价格是否会阻碍其成功，并威胁到 Gen2 项目？如果你的 Gen1 领先于其他公司，那么你将是唯一一家成本更高的公司。

当然，如果你的竞争对手在第二代上采取行动，那么当你的第二代成本较低时，他们的第二代成本也会较高——但前提是第一代最初足够成功，值得你推出第二代。

图 1：芯片组的经济效益可能需要经过多代产品才能显现。分解项目涉及所有芯片组的设计。下一代芯片组可能允许部分第一代芯片组在第二代芯片组中重复使用。来源：Bryon Moyer/半导体工程

如果你的竞争对手等待了太多代才采取行动，那么第二代及以后的节省是否能让你在价格上与单片实现竞争？这充分说明了时机的重要性以及过早行动的风险。

克鲁格说：“你可能会因为在众多竞争对手之前转向小芯片而受到惩罚，除非你提供某种无法通过其他方式实现的功能。”

我们能计算出汽车市场能节省多少成本吗？

汽车市场也对 Chiplet 表现出了兴趣。但它在这方面的表现如何尚不清楚。一些高级驾驶辅助系统 (ADAS) 需要大型芯片，因此它们将像数据中心芯片一样受益。

Cadence 硅片解决方案事业部杰出工程师 Moshiko Emmer 表示：“如果没有 chiplet，芯片尺寸就会达到极限，因为如果你想把 CPU，还有 AI NPU、内存、视觉和 DSP 都集成到同一个芯片上，那根本做不到。它太大了。”

汽车是一些人所称的“物理AI”的一个例子，其中还包括机器人和无人机。在这些市场中，芯片的采用方式与它们在数据中心的发展方式有所不同。

“在数据中心，你会有一个 CPU 芯片组，它会被复制多次以增加核心数量，”Emmer 指出，“在物理 AI 的场景中，你会拥有一组不同的芯片组，每个芯片组都服务于不同的功能系列。但你可以在同一个平台上实现更多功能。”

差异化也很重要，OEM 的竞争领域已经发生了变化。“到目前为止，宝马、奔驰和奥迪之间的竞争主要集中在发动机的强劲程度，”Emmer 说道。“一旦它们都推出电动汽车，竞争就需要转移到其他方面，比如 ADAS 或信息娱乐系统。因此，OEM 对采用不同供应商的不同芯片组非常感兴趣。”

并非所有汽车都花哨。Heinig指出，如果重点关注 ADAS，就会出现一个实际问题。“我们与汽车制造商讨论过，只有 5% 的汽车真正拥有完整的 ADAS 功能，因为它太贵了。ADAS 功能是一个利基市场，这是一个大问题。你需要雷达、摄像头，或许还有激光雷达。每个传感器的成本在 500 美元或 200 美元之间，你需要 10 个或 15 个这样的传感器。现在大家都发现它非常非常昂贵。”

那么，那些负责将车辆从这里运送到那里的平凡芯片呢？无论是廉价的破旧轿车还是豪华轿车，它们都承担着繁重的工作。这个问题很难回答，因为成本模型本身就很模糊。“你必须比较成本模型，而每家汽车制造商都有不同的成本模型，”Heinig 说。“每家原始设备制造商的成本计算方式都不同。有些成本会被推到一级供应商或二级供应商身上，这些模型真的很难理解。我们很难建立一个成本模型，并解释 Chiplet 的优势。”

Cadence 正在开发基于 Chiplet 的汽车参考设计，并考虑到了部分成本敏感性，推出了适用于传统封装的较小版本。“主 Chiplet 包含大部分功能以及一个应用程序集群，”Emmer 解释说。“因此，它可以作为一个独立的系统运行，并且可以独立封装。”

众所周知，汽车市场的交付周期很长，部分原因在于该业务的安全特性。但战略变革本身也进展缓慢，而决定转向小芯片技术则是一个重大转变。“汽车公司需要时间来决定这是正确的发展方向，而我目前还不认为这是正确的方向，”陈说道。

Chiplet市场将服务于哪些应用？

如今，Chiplet设计绝大多数由大型半导体和系统公司主导，这些公司有能力资助Chiplet的多个开发项目以及封装。这些公司基本上控制着封装内的每个重要组件。

“大数据公司会设计他们所需的东西，他们可以承担费用并获得他们所需的绝对性能，”克鲁格指出。“他们甚至可能不需要开放兼容性，只要它在他们的系统中兼容就行。”

这种情况与那些期待开放的芯片市场的人所设想的情况截然不同，在开放的芯片市场中，人们可以以与今天购买软 IP 功能相同的方式获得硬化的硅功能。

这一愿景有利于那些拥有优秀创意但预算有限的公司。公司无需为封装开发每一个芯片，而是可以专注于实现其优秀创意的差异化硅片，并向市场寻求其所需的其他标准产品。这对于初创公司来说尤其具有吸引力。

“（小）厂商希望拥有这个开放的chiplet生态系统，这样他们就不必事事亲力亲为，”Kruger说道。“而且他们可能无力承担最新一代工艺技术、流片和多个chiplet的成本。所以他们希望拥有这个生态系统。”

但是，如果上述问题的答案表明注重成本的设计不会从 Chiplet 中获益，那么这是否会排除该市场的用户呢？如果不是出于生存的考虑，投资者会支持更昂贵的方案吗？Chiplet 版本是否真的符合最低限度可行的标准？

成本并非唯一限制因素

如今，有两个因素限制了对小芯片的采用。一是成本。二是风险，这是一个大问题，因为如今每家公司都在发明自己的流程，而每个新项目都可能刺激对其他新流程的需求。“不仅仅是成本问题，”Promex 的 Fromm 指出。“如果你的产品开发失败，风险就更大。那可不是什么好事。组装这些设备显然比标准设备昂贵，但不仅仅如此。你必须考虑如何测试它。如何管理电源？如何管理热量？如何管理组装翘曲、不匹配和可靠性的物理影响？也许成本合理，或者接近标准，但风险不值得。”

很少有公司有多余的资源去冒这个险。按照现代标准，资源闲置意味着效率低下。在这方面，没有哪家公司比初创公司的要求更高，因为初创公司的任务是专注于在尽可能短的时间内开发出一个最小可行产品。

技术讨论和标准将解决这一风险。一旦过程中未知因素减少，就会有更多公司愿意参与。

大声说出内心的声音

如今，Chiplet 市场面临诸多障碍，人们正在投入大量讨论和努力来解决这些问题。加州大学欧文分校的 Vaisband 指出：“我们仍在努力定义这种被称为 Chiplet 的正确抽象层次。”

但这些主要与技术问题有关。哪些标准能够确保芯片互连时的互操作性？哪些设计流程才能更有可能一次性成功？哪些可靠性挑战必须解决？

有一个问题很少被人提出。如果我们解决了所有这些技术难题，即使在成本敏感的市场中，最终结果能否与现状保持成本竞争力？如果我们投入巨资建立必要的基础设施，Chiplet设计在经济效益上是否更有利？如果你建了Chiplet，他们会来吗？

克鲁格从另一个角度就市场提出了这个问题：“人们会为了这种更简单的开发环境而放弃成本吗？在某些情况下是的，在某些情况下则不会。”

有些人相信，即使现在找不到理由，经济回报终将实现。“从科技发展史来看，一定会有突破，”弗洛姆说。

然而，Chiplet 仍有可能只在某些市场中成为可行的选择。“我们将 Chiplet 的重点放在特定市场是件好事，因为如果试图将 Chiplet 推广到所有地方，将会非常困难，”Emmer 说道。“如果基础微控制器价格非常低廉，我仍然认为它们有市场。如果没有问题，我们就不需要去修复它。”

https://semiengineering.com/can-chiplets-serve-cost-conscious-apps/

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