芯片制造商加速开发“芯粒”技术以助力AI

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2023年7月11日
AI的蓬勃发展正推动芯片制造商加速开发将芯片堆叠在一起的设计，就像高科技乐高(Lego)积木一样。

据业内高管称，芯粒(Chiplet)，又称“小芯片”，可能是设计功能更强大芯片的一种更简单方式，他们称这项技术是集成电路问世60多年来最重大的进步之一。

“在半导体未来的发展中，封装和芯粒将占很大一部分，”IBM研究主管Dario Gil在接受采访时说。“这可比从头开始设计一块大型芯片要强大得多。”

Advanced Micro Devices (AMD)、英特尔公司(Intel, INTC)、微软(Microsoft, MSFT)、高通公司(Qualcomm, QCOM)、三星电子(Samsung Electronics, 005930.SE)和台湾积体电路制造股份有限公司(Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., 2330.TW, 简称：台积电)等科技巨头去年成立了一个联盟，以制定芯粒设计标准。在AI浪潮中脱颖而出、成为全球首家市值达万亿美元的芯片公司英伟达(Nvidia, NVDA)后来也加入了这个联盟。IBM和一些中国公司也是该联盟的成员。

苹果(Apple, AAPL)是较早将芯粒技术运用在消费产品的公司之一，其高配版本的台式电脑Mac Studio所使用的芯片就是运用一种芯粒技术将两方计算处理器连接在一起。相关芯片由台积电生产。搭载这种新型芯片的电脑于去年推出，今年6月发布了新版本。最近几个月，英特尔和英伟达分别发布了基于芯粒技术的定制产品。

智能手机等典型的消费设备包含多种类型的芯片，用于数据处理、图形处理、存储、通信和电源控制等功能。这些芯片由细小的电线进行精密链接，然后封装在起到保护作用的的塑料外壳当中，形成一个可以固定在电路板上的封装整体。

有了新的芯粒封装技术，工程师们找到了将已有芯片连接在一起的方法，这相当于用几块乐高积木拼出一辆玩具车。


台积电预计，到2025年，其先进封装生产设施面积将扩大至2021年的两倍。

图片来源：Taiwan Semiconductor Manufacturing Co.

中国芯粒初创公司奎芯科技(M Square)高管王晓阳把芯片设计公司比作菜谱的创作者，而芯粒则可以看成是预制菜。他在公司发布的一篇贴文中介绍道，芯片设计公司可以把想要的原料放在一起，仅需要简单加热即可上桌。

这一概念尤其符合AI公司需求，这些公司希望抓紧设计针对AI所用计算方式进行优化的芯片。

英伟达表示，该公司的芯粒技术使其图形处理芯片等现有产品可以与有特殊需求的公司设计的定制芯片相连接。

英伟达在去年提交给美国商务部的一份报告中称，随着在一个微小空间封装更多电晶体的难度越来越大，芯片的堆叠“将是继续以一种低成本高效方式扩展芯片性能的主要机制”。作为全球最大的芯片代工商，台积电拥有自己的平台供客户设计基于芯粒的产品，苹果公司是其客户之一。台积电预计，到2025年，其先进封装生产设施面积将扩大至2021年的两倍。

芯片制造商英伟达加入了成员屈指可数的万亿美元市值公司俱乐部。与苹果、微软、亚马逊等成员相比，英伟达并不算家喻户晓，但它支撑了电子游戏产业的蓬勃发展，并在加密货币狂热中大赚了一把，随着AI热潮来临，其销售再次大幅提振。《华尔街日报》的Asa Fitch分析了英伟达在ChatGPT面世十年前就定下的人工智能(AI)战略。封面图片制作：Annie Zhao WSJ S Chinese

各企业仍在努力降低芯粒的生产成本，并继续研究如何最有效地将它们接合在一起。另外，芯粒需要一个不同的过程来验证性能，而且它们并非适合每一种功能。业内人士表示，芯粒设计更适合用于售价不低于4,000美元的高端苹果台式机等产品，而不是当前大众市场智能手机的主要芯片。

尽管如此，由于设计和制造最先进制程芯片的成本急剧上升，所以在可能的情况下，利用芯粒技术将一些成熟制程芯片组合到一起以提高性能是有意义的。

半导体分析机构Real World Insights的创始人David Kanter说：“先进封装的成本更高......但随着新型芯片越来越贵，先进封装看起来吸引力更大。”


由台积电制造并于去年推出的苹果M1 Ultra芯片运用了一种芯粒技术将两方计算处理器连接在一起。

图片来源：Gabby Jones/Bloomberg News

与目前芯片制造涉及到的大多数领域一样，先进封装也是美中竞争的一个重要环节。美国《芯片与科学法案》(Chips and Science Act)在去年批准拨款25亿美元用于先进封装项目，而中国政府则出台了税收减免和其他激励措施。

总部设在美国的半导体产业协会(Semiconductor Industry Association)曾在2021年估计，中国在芯片组装、测试和封装方面的装机容量占到全球的38%。台湾在高端封装领域继续保持领先地位，但中国的一家苹果供应商江苏长电科技股份有限公司(JCET Group, 600584.SH, 简称﹕长电科技)曾表示，该公司有能力用芯粒相关技术对先进制程芯片进行量产封装。

中国在半导体领域的实力地位对美国构成两个潜在风险。虽然许多美国公司乐于与中国的工厂合作来开展这些专业的芯片制造工作，但供应链可能会因地缘政治危机或另一场大流行病而变得混乱不堪。

此外，随着美国愈发阻止中国获得最先进的芯片制造设备，中国在封装方面的实力或成为制裁之下的一种变通手段。

据了解中国半导体发展的人士称，一些中国工程师已经在测试芯粒系统，以达到单个先进制程半导体的性能。中国在今年3月发布了新的国内芯粒标准，中国Chiplet产业联盟(China Chiplet League)表示，此举将有助于中国构建芯粒技术生态系统，同时与国内外IP持有者进行合作。

总部位于中国的天风国际证券(TF International Securities)在3月份的一份报告中称，从中国视角来看，芯粒或为打破国产制程瓶颈的关键方案。