Chiplet異構集成的市場應用現狀

Chiplet異構集成在當前市場呈現出快速發展的態勢。從市場規模來看，其增長前景十分可觀。據TFSECURITIES預計，2024年Chiplet的市場規模將達到58億美元，到2035年則會超過570億美元，展現出迅猛的增長勢頭。計算Chiplet市場的收入預計將從2024年的435億美元增長至2030年的1449億美元，年復合增長率高達31%。

在產業鏈方面，各個環節都積極參與其中。在IP設計環節，像芯原股份基于Chiplet架構設計了高端應用處理器平臺；在先進封裝環節，長電科技作為國內先進封裝龍頭，通富微電利用次微米級interposer以TSV將多芯片整合于單一封裝；封測設備環節有華峰測控提供設備；IC載板環節的興森科技，其ABF載板的高速傳輸特性匹配Chiplet芯片高算力要求；還有華海誠科作為環氧塑封料稀缺標的，有望受益于先進封裝和Chiplet發展。

目前，AMD、英特爾、IBM、英偉達和臺積電等行業領軍企業已經積極開始采用Chiplet技術，并且其應用范圍不斷擴大。例如在高性能計算領域，許多企業利用Chiplet異構集成來提升計算性能，以滿足不斷增長的高性能計算需求。同時，消費電子領域，包括智能手機、筆記本電腦和可穿戴設備等，也對Chiplet技術有廣泛的應用前景，預計到2033年，消費電子領域將在Chiplet市場中占據超過26%的份額。

此外，隨著人工智能、數據中心、汽車等行業對高性能計算需求的不斷增長，Chiplet異構集成的應用也越來越受到重視。例如在汽車領域，隨著汽車智能化的發展，對芯片的高性能、低功耗、高可靠性等要求不斷提高，Chiplet異構集成技術能夠滿足這些需求，從而在汽車電子系統中得到應用，如汽車的自動駕駛系統、智能座艙系統等都有可能采用Chiplet異構集成芯片。

Chiplet異構集成的熱門應用領域

一、人工智能領域

人工智能的發展對芯片的計算能力提出了極高的要求。Chiplet異構集成技術能夠將不同功能、不同制程的芯片集成在一起，從而實現高性能計算。例如，將專門用于神經網絡計算的芯片芯粒與負責數據存儲和預處理的芯粒集成，可以大大提高人工智能芯片的整體性能。一些AI芯片制造商利用Chiplet技術，可以在不依賴最先進制程的情況下，實現與先進制程相接近的性能，降低了成本的同時提高了開發效率。像北極雄芯發布的國內首款基于異構Chiplet集成的智能處理芯片“啟明930”，中央控制芯粒采用RISC - V CPU核心，同時可通過高速接口搭載多個功能型芯粒，可用于AI推理、隱私計算、工業智能等不同場景，其自研NPU在主流AI模型應用上的平均算力利用率超70%。

二、數據中心領域

數據中心需要處理海量的數據，對芯片的算力、存儲、帶寬等方面都有很高的要求。Chiplet異構集成可以靈活組合不同的芯粒來滿足這些需求。比如將高算力的計算芯粒和大容量的存儲芯粒集成在一起，提高數據處理速度。而且，數據中心對成本比較敏感，Chiplet技術可以通過采用不同制程的芯粒，在保證性能的前提下降低成本。目前，數據中心是Chiplet應用需求較大的領域，甚至有機構預測2024年Chiplet數據中心應用占有率會達到40%，實際占有率可能遠超這個數字。

三、汽車領域

隨著汽車向智能化、電動化發展，汽車電子系統變得越來越復雜，對芯片的可靠性、安全性、高性能等要求也日益提高。Chiplet異構集成技術可以將不同功能的芯片集成在一個封裝內，滿足汽車電子系統多方面的需求。例如，將負責汽車動力系統控制的芯片芯粒、自動駕駛相關的計算芯粒以及汽車娛樂系統的芯片芯粒等集成在一起，可以減少芯片的體積，提高系統的集成度和可靠性。一些車規級芯片制造商開始采用Chiplet技術來提升產品的競爭力，以適應汽車行業快速發展的需求。

四、消費電子領域

在消費電子產品如智能手機、筆記本電腦和可穿戴設備中，空間和功耗是非常重要的考慮因素。Chiplet異構集成技術可以在有限的空間內集成更多的功能，并且通過合理組合不同制程的芯粒來優化功耗。例如在智能手機中，可以將應用處理器、圖形處理器、基帶芯片等以Chiplet的形式集成在一起，提高手機的性能，同時降低功耗，延長電池續航時間。預計到2033年，消費電子領域在Chiplet市場中所占份額將超過26%，這表明其在該領域有著廣闊的應用前景。

Chiplet異構集成市場應用的未來趨勢

一、生態系統走向開放與互操作

隨著越來越多廠商采納UCIe（Universal Chiplet Interconnect Express，通用小芯片互連通道）標準，其影響力逐漸擴大，圍繞UCIe會形成一個更加開放、互聯的生態模式。目前，英特爾、AMD和Arm等聯合發布了UCIe標準，旨在構建一個完整且兼容的Chiplet生態系統。未來，不同供應商的Chiplet能夠更容易地實現封裝內的互聯，這將促進各廠商之間的合作與互操作性，推動整個行業向前發展。例如，阿里云作為UCIe的成員，在UCIe的生態建設和推廣方面做了大量工作，并且與上下游伙伴密切合作，致力于實現更加開放且穩定的芯片供應鏈模式。

二、技術創新推動性能提升

在AI技術快速發展的背景下，系統集成的密度和帶寬密度不斷增加。例如，系統互聯技術將從當前的112G進一步發展到224G，在Chiplet層面，UCIe標準也在向48G甚至64G演進，帶寬密度越來越高。基于玻璃基板的3D集成應用可能會比預想的更快普及，這些新技術將為Chiplet設計和制造帶來新的可能性。此外，異構集成將朝著單芯片、百萬級別的連線，還有功能完整的形態發展，這將進一步提升Chiplet芯片的性能，滿足未來對高性能計算的需求。

三、應用范圍不斷拓展

從目前主要應用在高性能計算相關領域，如服務器處理器芯片、人工智能加速芯片、通信芯片、車規級芯片、移動與桌面處理器芯片、晶圓級處理器芯片等，未來Chiplet異構集成的應用范圍將進一步拓展到更多的行業和領域。隨著各行各業數字化轉型的加速，對芯片性能、成本、功耗等方面的要求不斷提高，Chiplet異構集成技術憑借其優勢，有望在更多的場景中得到應用，如物聯網、工業控制、醫療設備等領域。

四、成本與性能的進一步優化

Chiplet異構集成技術將在成本與性能的平衡上不斷優化。在成本方面，通過采用不同制程的芯粒，可以降低對先進制程的依賴，從而減少芯片的制造成本。同時，Chiplet技術可以提高量產良率，進一步降低量產成本。在性能方面，通過異構集成不同功能的芯粒，可以實現更高的計算性能、更低的功耗以及更好的可靠性。例如，相比SoC，Chiplet至少可以降低20% - 30%的研發成本，并且可以顯著提高量產良率，綜合來看降低了芯片的研發和量產成本。

不同行業中Chiplet異構集成的應用案例

一、工業設計領域 - 江蘇長電科技股份有限公司案例

在工業設計領域，長電科技的Chiplet異構集成技術有著創新的應用。現代集成電路制造工藝面臨瓶頸時，Chiplet技術將不同工藝節點和不同材質的芯片通過先進的集成技術封裝集成在一起，形成一個系統芯片。長電在2021年7月推出的XDFOI全系列極高密度扇出型封裝解決方案，線寬或線距最小可達到2μm的同時，可實現多層布線層，集成多顆芯片、高帶寬內存和無源器件。該技術在系統成本、封裝尺寸具有一定優勢，可以應用于工業、通信、汽車、人工智能等多個領域。此外，長電已加入UCIe產業聯盟，共同致力于Chiplet核心技術突破和成品創新發展。通過這些方式，Chiplet異構集成在工業設計領域實現了突破傳統SoC制造面臨的諸多挑戰（掩膜規模極限和功能極限等），從而大幅提高芯片的良率，有利于降低設計復雜度、設計成本及芯片制造成本，并且繼承了SoC的IP可復用特點，進一步開啟了半導體IP的新型復用模式，縮短芯片上市時間。

二、人工智能領域 - 北極雄芯案例

北極雄芯深耕Chiplet領域多年，發布了國內首款基于異構Chiplet集成的智能處理芯片“啟明930”。這款芯片中央控制芯粒采用RISC - V CPU核心，同時可通過高速接口搭載多個功能型芯粒，基于國產基板材料以及2.5D封裝，做到8 - 20T的算力靈活拓展，支持主流AI算子，平均利用率達到75%以上。可用于AI推理、隱私計算、工業智能等不同場景，目前已與多家AI下游場景合作伙伴進行測試。北極雄芯源于清華大學交叉信息研究院，其核心研發團隊擁有豐富的經驗，以清華大學交叉信息研究院在人工智能及前沿架構領域的探索為牽引，從芯片架構底層將各場景需求中的通用模塊與專用模塊解耦，分別設計制造小芯粒并集成，可支持不同制程模塊的互聯，并且針對全國產封裝供應鏈進行了優化，有效緩解各行業算力需求方在性能、成本、迭代周期、供應鏈保障等各方面的核心痛點。

三、汽車領域 - 潛在應用案例

在汽車領域，隨著汽車智能化程度的不斷提高，自動駕駛、智能座艙等功能對芯片性能和可靠性提出了更高的要求。雖然沒有明確提及某一特定的成功應用案例，但從需求角度來看，Chiplet異構集成技術有著很大的應用潛力。例如，將負責汽車自動駕駛功能中的傳感器數據處理芯片芯粒、決策計算芯片芯粒與負責智能座艙娛樂系統、車輛安全監控系統等不同功能的芯片芯粒通過異構集成技術封裝在一起，可以提高汽車電子系統的集成度和可靠性，同時滿足不同功能對芯片性能的要求。這樣可以減少芯片的體積，降低布線復雜度，提高汽車電子系統的整體性能，并且在成本控制方面也有一定的優勢，適應汽車行業對成本較為敏感的特點。

Chiplet異構集成市場應用的挑戰與機遇

一、挑戰

（一）設計方面

1. 復雜度增加

• Chiplet異構集成需要將不同功能、不同制程的芯片集成在一起，這使得芯片設計的復雜度大大增加。設計師需要考慮各個芯粒之間的兼容性、互聯性等問題。例如，不同芯粒可能采用不同的接口標準，如何實現這些芯粒之間的高效互聯是一個挑戰。而且，在設計過程中要確保各個芯粒之間的協同工作，避免出現性能瓶頸或者功能沖突等問題。

2. 測試和驗證困難

• 目前的測試流程基本上是把所有Chiplet放在一起作為一個整體來做的，但如果要實現一個off - the - shelf的Chiplet市場模式，單個Chiplet的測試驗證工作需要做得更加完備。這意味著需要開發新的測試方法和工具，來確保每個芯粒在集成之前都是符合要求的。例如，在測試過程中，如何準確檢測出每個芯粒的性能、功能是否正常，以及是否存在潛在的缺陷等問題是比較困難的。

（二）成本方面

1. 封裝成本

• Chiplet芯片需基于先進封裝，其封裝成本較SoC有所提升。傳統封裝約占據芯片量產成本10%，而先進封裝則普遍要占到30%甚至更多。這是因為先進封裝技術更為復雜，例如在實現不同芯粒的集成時，可能需要采用特殊的封裝工藝，如2.5D或3D封裝，這些封裝工藝的設備投入、材料成本等都比較高。

（三）生態方面

1. 缺乏成熟商業模式

• Chiplet帶來了范式的改變，使得芯片的最終用戶可以參與到整個芯片規格的制定過程中，這是對傳統芯片設計的一個重大變化。然而，目前還缺少一種成熟的商業模式或制作模式。例如，在Chiplet的供應、采購、集成等環節，如何建立合理的價格體系、質量保證體系以及合作模式等都是需要解決的問題。

2. 標準兼容性

• 雖然UCIe等標準在推動Chiplet的互聯方面起到了重要作用，但目前仍然存在不同標準之間的兼容性問題。例如，在物理層之間等方面，不同Chiplet標準之間可能存在差異，這會影響不同供應商的Chiplet之間的互聯和互操作性。

二、機遇

（一）技術突破

1. 延續摩爾定律

• 在摩爾定律逐漸失效的情況下，Chiplet異構集成技術為芯片性能提升提供了新的途徑。它可以突破傳統單芯片的上限，進一步提高芯片的集成度。例如，通過將復雜SoC芯片分成更小的芯片，可以提升復雜SoC芯片的良率，降低芯片設計成本。因為單芯片的面積越大其良率越低，對應的芯片制造成本也就越高，而Chiplet技術將大芯片切割成小芯片，可以有效應對這一問題。

2. 滿足高性能計算需求

• 隨著人工智能、數據中心、汽車和消費電子產品等行業對高性能計算的需求不斷成長，Chiplet異構集成技術能夠滿足這些需求。它可以靈活組合不同功能、不同制程的芯粒，實現高性能計算。例如在數據中心處理海量數據時，通過將高算力的計算芯粒和大容量的存儲芯粒集成在一起，可以提高數據處理速度，適應高性能計算的需求。

（二）產業發展

1. 推動產業鏈變革

• Chiplet技術涉及從上游IP、EDA、設計到中游制造，再到下游封測等整個半導體產業鏈的革新。例如在IP設計環節，會催生新的IP需求，如die - to - die接口IP和部分測試IP；在封裝環節，提升了先進封裝在半導體產業的價值和地位，并且由于Chiplet對先進封裝的需求顯著，使得封裝環節的毛利率提高。這有助于推動整個半導體產業鏈的升級和發展。

2. 國產半導體發展機遇

• 在當前國際形勢下，我國半導體產業發展在晶圓制造、封裝、設備及材料等各環節面臨諸多掣肘，Chiplet架構更是成為我國半導體產業未來發展的破局點。我國企業可以通過發展Chiplet技術，在芯片設計、封裝等環節發揮自身優勢，實現彎道超車。例如，我國一些企業已經在Chiplet技術的研發、應用方面取得了一定的成果，如北極雄芯發布了國內首款基于異構Chiplet集成的智能處理芯片，長電科技在Chiplet異構集成的工業應用方面有創新等。

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