隨著近兩年人工智能的快速崛起以及數(shù)字經(jīng)濟的高速發(fā)展，市場對于高算力芯片的需求愈發(fā)迫切。

然而與此同時，衡量半導體產業(yè)技術進步的標尺 —— 摩爾定律的節(jié)奏卻明顯放緩。一方面，半導體制程工藝已經(jīng)接近物理極限，先進工藝的投入產出比難以具備商業(yè)合理性；另一方面受制于光刻尺寸以及晶圓廠良率，單芯片的面積難以無限擴大。

在當今的后摩爾時代，面對算力需求的指數(shù)級增長，業(yè)界開始從其他維度探索提升芯片算力的新方法。其中，Chiplet（芯粒）技術再次被業(yè)界提上日程。

作為國內一家專注于 Chiplet 技術開發(fā)的公司，北極雄芯信息科技（西安）有限公司（簡稱北極雄芯）自主研發(fā)的一款異構集成 AI 智能處理芯片已經(jīng)率先完成了全國產 Chiplet 封裝供應鏈的工藝驗證。

“區(qū)別于傳統(tǒng)單芯片設計模式，Chiplet 通過將‘大芯片拆分為小芯?！M行生產并集成封裝，可有效提升大面積芯片制造的綜合良率，同時還可通過 Chiplet 復用帶來更為靈活的搭配組合，可以說基于 Chiplet 集成的設計理念是后摩爾時代半導體產業(yè)的一個重要演進方向?！北睒O雄芯創(chuàng)始人馬愷聲教授告訴「問芯」。

圖｜北極雄芯創(chuàng)始人、首席科學家馬愷聲（來源：受訪者）

馬愷聲于 2018 年在美國賓夕法尼亞州立大學取得計算機科學與工程博士學位，同年經(jīng)姚期智院士招募回國并任職于清華大學，目前他是清華大學交叉信息研究院、人工智能學院的助理教授，博士生導師。

談及創(chuàng)立北極雄芯的初衷，馬愷聲表示，主要是想基于國內尚有差距的供應鏈、工藝等做出高性價比的系統(tǒng)。“當時我剛進入清華大學交叉信息研究院，成為其中除量子芯片外主攻應用芯片研發(fā)的‘第一人’，負責提供底層硬件支持。面對這項任務，如何才能夠更快速、低成本的開發(fā)芯片，同時還能滿足 AI+ 各行各業(yè)的需求，成了我長期思考的問題。”他說道。

后來，隨著摩爾定律逐漸失效，他開始把目光聚焦到 Chiplet 技術。

據(jù)介紹，Chiplet 也稱“芯粒”，其通過把一整顆 SoC 的功能模塊進行解耦，分別設計制造采用不同制程工藝的 Chiplet，再借助 2.5D/3D 先進封裝技術集成在一起?！斑@種異構集成的設計理念，不僅有助于降低芯片的研發(fā)成本，而且能夠緩解各行業(yè)算力需求方在差異化需求、性能、成本、算法迭代周期、供應鏈保障等多方面的痛點?！彼赋觥?/p>

“2021 年，在完成了 AI 加速模塊研發(fā)的基礎上，我們將商業(yè)化運作提上日程，正式成立了北極雄芯，基于 Chiplet 技術研發(fā)芯片，提供低成本、快周期的整體解決方案。”馬愷聲說道。

“用小芯片做大芯片，降低設計開發(fā)門檻”

實際上，Chiplet 并不是個新概念，Chiplet 設計理念最早源于 1970 年代誕生的多芯片模組，直到近幾年 Chiplet 技術才再次被業(yè)界重視。“這項技術雖然是近幾年才被大眾所了解，但 Chiplet 的概念其實在很早之前就已經(jīng)被提出來了?！瘪R愷聲表示。

在他看來，Chiplet 架構的巨大商業(yè)價值在于其在“物理極限”和“商業(yè)合理性”中尋求到一個平衡，將大部分 IP 或子系統(tǒng)以“硅片化”的方式形成芯粒，并將不同芯粒通過靈活組合并運用到各個行業(yè)實際場景中，大幅降低量產成本，加快迭代速度。

圖｜圍繞 Chiplet 研發(fā)規(guī)劃（來源：公司官網(wǎng)）

據(jù)介紹，北極雄芯公司成立三年來已經(jīng)陸續(xù)完成了一系列 Chiplet 基礎設施搭建，而自今年以來，北極雄芯開發(fā)的高性能通用 SoC 芯粒、GPU 芯粒，以及自研的 Zeus Gen2 AI 加速芯粒等產品將陸續(xù)交付流片。

“2022 年，我們通過‘啟明 930 AI Chip’率先完成了 Chiplet 異構集成的全流程工藝驗證，包括研發(fā)設計、流片測試、基于全國產供應鏈的 2.5D 封裝、AI 工具鏈、模型部署，以及 Chiplet 架構下的編譯及數(shù)據(jù)鏈路優(yōu)化等；2023 年，我們自主研發(fā)的 Chiplet 互聯(lián)接口‘PB Link’測試成功，該接口符合國產接口標準且自主可控，具備低成本、低延時、高帶寬、高可靠和兼容封裝內外互連等特點?！彼f道，“截至目前，我們自研的芯粒互聯(lián)接口標準‘PB Link’以及 AI 加速模塊均已實現(xiàn)對外授權?！?/p>

業(yè)務布局方面，“北極雄芯采用‘異構集成’的 Chiplet 架構，將 SoC 系統(tǒng)解耦為通用型 Hub Chiplet、功能型 Functional Chiplet，并通過自研 D2D 接口和封裝方案進行集成，進而形成針對下游不同場景需求靈活組合的芯片 / 加速卡產品?！彼榻B道。

當然，圍繞 Chiplet 技術的開發(fā)目前也面臨一系列挑戰(zhàn)?！霸摷夹g的整體思路是將單顆大芯片所需不同模塊在不同工藝制程上分別流片生產并在封裝時進行靈活組合，而挑戰(zhàn)則體現(xiàn)在‘拆、連、封’三個節(jié)點，分別對應芯片架構及設計能力、高速互聯(lián)接口方案能力以及先進封裝能力?！彼赋?。

圖｜Chiplet 的拆解與定義（來源：公司官網(wǎng)）

“首先，圍繞‘拆’節(jié)點，需要兼顧技術可行性及商業(yè)合理性。我們以下游場景需求為出發(fā)點，統(tǒng)籌考慮性能需求、數(shù)據(jù)交互類型以及良率、模塊復用率等多方面因素定義各塊 Chiplet 的最優(yōu)設計方案。在技術上由 Communication-Aware 芯粒劃分方法學降低跨芯粒數(shù)據(jù)通信負擔；在商業(yè)上通過內部 Chiplet-Actuary 成本模型平衡工藝 - 面積 - 規(guī)格選擇，實現(xiàn)高性價比復用的 Chiplet 設計?！彼忉尩?。

“對于‘連’這個節(jié)點，我們自主研發(fā)了首個符合國內《芯?；ヂ?lián)接口標準》及車規(guī)級 D2D 接口標準，通過低延時的 NoP 互連網(wǎng)絡，實現(xiàn)多顆芯粒高效通信，助力算力與功能的擴展?！彼榻B說。

除此之外，Chiplet 架構下多芯?；ヂ?lián)對基板層數(shù)、走線數(shù)量等有較高要求，并且對封裝也提出了更高的要求?！搬槍Α狻墓?jié)點，我們自研的低線數(shù) PB Link D2D 接口滿足國內基板的層數(shù)要求，促進供應鏈國產化；同時，我們自研的多芯粒與封裝協(xié)同布局設計方法學可助力封裝利用率優(yōu)化；針對 Chiplet 從傳統(tǒng)的單裸片系統(tǒng)到多裸片系統(tǒng)的轉變，我們研發(fā)了高效的封裝設計、基于 ANSYS 的芯片 - 封裝聯(lián)仿 Sign-off 流程，在封裝級確保 Chiplet 系統(tǒng)的流片成功?！彼f道。

馬愷聲坦言，Chiplet 技術從實驗室研發(fā)到芯片規(guī)模量產，整個過程有大量環(huán)節(jié)的銜接，最難的是把十余個小芯粒封裝在一起并部署相應的任務，把芯片跑通是個非常復雜的工程，涉及如何在架構定義層面進行縱向拆解？需要支持哪些算法？IP 如何集成？如何實現(xiàn)高速互聯(lián)通訊？如何解決供電散熱材料等等一系列難題?！拔覀兟?lián)合將近十家廠商一起才跑通了啟明 930 芯片，該芯片從研發(fā)，到流片，再到回片，耗時將近兩半年，此前業(yè)界尚沒有完整的在國產供應鏈跑通全部流程的先例?！彼f道。

圖｜啟明 930 芯片（來源：公司官網(wǎng)）

現(xiàn)階段，北極雄芯圍繞 Chiplet相關產品涵蓋 IP 級、芯粒級以及板卡級等多個類別?！白詮某闪⒁詠?，我們專注于發(fā)展完善基于不同工藝節(jié)點的互聯(lián)接口和各類獨立 Chiplet，以期能為各場景芯片設計提供 Chiplet 集成開發(fā)模式的便利?！彼硎?。

他接著進一步解釋說，“Chiplet 架構能提供多種不同工藝節(jié)點的芯粒進行互聯(lián)，任何芯片設計公司均可基于已有的第三方通用型 Chiplet，比如CPU Chiplet、SoC Chiplet、I/O Chiplet等進行拓展開發(fā)，快速制造出與自身場景需求強關聯(lián)的定制化芯片。如此一來，將有助于提升性價比、降低開發(fā)風險、提升產品迭代速度，大幅降低高性能計算芯片設計的門檻?！?/p>

“國內Chiplet產業(yè)發(fā)展路徑及側重點比海外更多元化”

如今，隨著人工智能爆發(fā)式增長，以及汽車 / 消費電子、數(shù)據(jù)中心等行業(yè)對于高性能計算解決方案需求的不斷增加，業(yè)界對于 CPU Chiplet、GPU Chiplet、Memory Chiplet 等的需求也逐步提升。

據(jù) Market.US 調研統(tǒng)計，2023 年全球 Chiplet 市場規(guī)模約 31 億美元，2024 年將達到 44 億美元，預計到 2033 年將達到 1070 億美元。

圖｜全球 Chiplet 市場規(guī)模（來源：https://market.us/）

現(xiàn)階段，北極雄芯所開發(fā)的產品主要面向智能駕駛等邊緣側場景和大模型推理等云邊端部署場景。

細分來看，“隨著汽車智能化逐步向跨域融合、高階自動駕駛等方向演進，Chiplet 架構能夠提供多元化需求的組合方式，降低量產成本，加速產品周期，并且支持下游客戶共同參與定制化開發(fā)，解決汽車芯片開發(fā)投入大、風險高、周期長、迭代慢等痛點?！瘪R愷聲指出，“利用 Chiplet 架構集成拓展可提升單芯片 / 單卡的峰值算力、存儲容量及帶寬，提高模型處理能力，降低單位算力和單位帶寬使用成本，降低每 Token 的推理成本?！彼a充說。

圖｜Chiplet 架構產品應用領域廣闊（來源：公司官網(wǎng)）

市場層面，在馬愷聲看來，國內 Chiplet 產業(yè)起步時間并不明顯晚于海外，但由于國內集成電路產業(yè)鏈成熟度與海外相比有較大差距，市場需求領域也較為差異化，因此國內 Chiplet 產業(yè)發(fā)展路徑及側重點與海外相比更加多元化。

具體而言，“國內高性能計算的市場需求與海外市場略有不同，除了在 AI、大模型訓練等領域所需的通用 GPU 等高性能算力需求外，國內智能駕駛、機器人等下游市場領域的發(fā)展速度高于海外，應用場景深度及廣度均優(yōu)于海外，將帶動定制化高性能計算需求領域的快速增長，為 Chiplet 提供確定性更高的落地場景。”他說道。

“另一方面，國內的半導體產業(yè)尚處于發(fā)展期，尤其在當今國際形勢下亦將長期處于追趕階段，產業(yè)鏈各環(huán)節(jié)上與國際領先技術水平相比仍有一定差距，國內高性能計算領域將長期面臨供需缺口的痛點?！彼a充說。

近年來，市場上也有不少陸續(xù)成立的初創(chuàng)公司專注于 Chiplet 芯片設計研發(fā)，但其應用領域各不相同?！芭c各家 Chiplet 芯片設計企業(yè)相比，我們芯粒產品庫及應用領域更加全面，并且已經(jīng)在業(yè)內率先完成了樣片工藝驗證，下一步量產開發(fā)風險大幅降低?！彼硎?。

作為中國 Chiplet 產業(yè)聯(lián)盟的底層技術承載主體之一，北極雄芯專注于 Chiplet 技術研發(fā)，依托國內院?？蒲心芰χ卧诋a品技術能力及商業(yè)化落地等方面積累了大量經(jīng)驗?！皬脑O計、制造、互聯(lián)、封裝、工具鏈等全部跑通，在這件事上我們應該是國內第一家?！瘪R愷聲說道。

據(jù)悉，北極雄芯前不久完成了新一輪融資。“融資資金將主要用于首批核心Chiplet流片及封裝測試，隨著各類芯粒的不斷推出，我們將持續(xù)保持在芯粒庫構建上的先發(fā)優(yōu)勢，率先構建國內首個可獨立銷售的‘Chiplet 產品庫’?！瘪R愷聲說道，“接下來，我們將繼續(xù)按照‘小步快跑’的節(jié)奏，以產品研發(fā)需求為導向，引進各方產業(yè)投資。”

“長遠來看，我們致力于 Chiplet 技術在國內的發(fā)展，基于 Chiplet 技術降低國內芯片設計門檻，逐步實現(xiàn)各個領域的國產替代。同時我們還將聯(lián)合 Chiplet 產業(yè)聯(lián)盟成員制定并共同推廣國產化的 Chiplet 技術相關標準，建立由中國企業(yè)主導的產業(yè)生態(tài)，實現(xiàn)國家先進制造跨越式發(fā)展里程碑?！瘪R愷聲總結道。

參考資料：

1.https://www.bjxxtech.net/

2.https://www.bjxxtech.net/html/chiplet/

3.http://www.iiisct.com/chiplet/index.htm

4.https://www.bjxxtech.net/html/cooperate/