随着摩尔定律逐渐接近其物理极限，传统的单块式(SoC)芯片设计面临着巨大的挑战。单块式芯片设计需要将所有的功能集成在一个硅片上，随着技术的进步，这一硅片上的晶体管数量不断增加，导致的结果是成本的增加和制造的复杂度提高。
此外，不同功能模块对制程的要求也不尽相同，某些模块可能无法充分利用最先进的制程技术。正是在这样的背景下，Chiplet技术应运而生。Chiplet是由加利福尼亚大学伯克利分校的教授John Wawrzynek在2006年作为RAMP项目（多处理器的研究加速器）的一部分提出的。这个词是“chip”和“petite”的组合，可以翻译为“小芯片”
什么是Chiplet
Chiplet，也称为chip-scale packages(CSP)或multi-chip modules (MCM)，是一种用于集成电路 (IC) 设计和制造的技术。它们涉及将复杂的集成电路分成更小的单独组件（称为chiplet），这些组件可以单独制造，然后组装在一起以创建完整的片上系统（SoC）。一组Chiplets可以在混合搭配“乐高式”的组合实现特定的功能。经过专门设计，可与其他类似的chiplet配合使用，形成更大、更复杂的芯片。
传统上，IC是作为单片芯片设计和制造的，其中所有组件和功能都集成到单片硅上。然而，随着半导体技术的进步，IC 的复杂性和尺寸不断增加，对制造良率、性能和成本提出了挑战。而且芯片(Die)的尺寸越大，良率越低，大尺寸芯片(Die)在制造过程中覆盖更多的晶圆面积，因此更有可能遇到晶圆上的缺陷。晶圆上的任何缺陷都可能导致覆盖该缺陷区域的芯片(Die)变成不合格品。
Chiplet技术解决的痛点问题
Chiplet技术通过将一个大的芯片分解成多个小的模块（即Chiplet），然后通过高速互连技术将它们组合起来，以实现整个芯片的功能。与传统单片系统相比，具有以下优点：
- 可重新使用的知识产权：同一个chiplet可以在许多不同的设备中使用
- 更快的上市时间：由于小芯片可以独立设计和制造，因此可以采用更加模块化的 IC 设计方法。这可以加速开发过程，从而加快新产品的上市时间。
- 设计灵活性和可扩展性：Chiplet设计允许通过组合不同的模块来快速实现不同的功能，极大地提高了设计的灵活性和产品的可扩展性。
- 提高制造良率：与单片芯片相比，小芯片尺寸更小，可以带来更高的制造良率。如果小芯片在制造过程中出现故障，可以在不丢弃整个芯片的情况下进行更换，从而减少浪费和成本。
下面是一个图表，显示了各种尺寸的芯片在单个晶圆上产量的百分比
可以看出，一个面积为360mm²的单片式芯片的良率为15%，而一个4-chiplet设计（每个99mm²）将良率提高到37%以上。4-chiplet设计的总面积会增加大约10%的面积（36mm²，总硅面积为396mm²），但是良率的显著改善直接转化为更低的成本，这远远超过了这种面积开销。
多芯片（chiplet）设计导致额外面积增加主要是因为需要额外的互连区域、每个芯片的封装边界、可能的冗余设计元素以及布局和功率分配的考虑。尽管这会带来一定的面积和成本增加，但通过显著提高良率、降低单芯片复杂性和增加设计灵活性，多芯片设计在总体上能有效降低生产成本并提升生产效率，为满足快速变化的市场需求提供了一种有效的策略。
Chiplet技术的原理
Chiplet技术的核心在于两个方面：一是如何设计和制造Chiplet模块；二是如何实现这些模块之间的高速互连。
Chiplet模块的设计与制造
Chiplet模块的设计需要考虑到整个系统的架构，确定哪些功能可以被独立出来作为一个单独的模块。这些模块可以在最适合它们的制程技术上进行制造。例如，处理器核心可以使用最先进的制程技术来制造以提高性能和能效，而I/O和存储模块则可以使用成熟的制程技术来降低成本。
高速互连技术
Chiplet模块之间的高速互连是实现整个芯片功能的关键。这通常需要使用先进的封装技术，如2.5D和3D封装技术，通过硅穿孔（TSV）或互连桥来实现模块之间的数据传输。高速互连技术需要解决的主要问题是信号的完整性、功耗和延迟。Chiplets可以通过标准如UCIe、bunch of wires（BoW）、AIB、OpenHBI和OIF XSR进行连接。不同公司设计的Chiplets必须考虑互操作性，这是一项艰巨的任务，这就更能体现出标准的价值，比如UCIe芯片互联总线标准。
Chiplet 技术的挑战和优势
挑战
- 设计挑战：需要在系统层面上进行更复杂的设计和优化。
- 可扩展性：将多个Chiplet集成到一个封装中可能会引起热管理、功耗和信号延迟等问题。
- 标准化：为了实现不同厂商生产的Chiplet之间的互操作性，需要制定统一的标准和接口。
优势
- 解决设计问题：Chiplet技术提供了一种灵活的方式来组合不同的技术和工艺节点，有助于解决单一芯片设计的限制。
- 提高性能：通过优化每个Chiplet的设计，可以提高整体系统的性能。
- 降低成本：长期来看，Chiplet技术可以通过重用已有设计和减少制造复杂性来降低成本。
Chiplet标准
随着Chiplet技术的兴起，许多行业巨头开始参与其中，包括GlobalFoundries、Samsung、Intel、AMD、Qualcomm、Arm、TSMC等。这些公司正在开发自己的Chiplet解决方案，并合作定义Chiplet基础CPU的新标准。这种合作促成了UCIe（Universal Chiplet Interconnect Express）的诞生。
UCIe是一个旨在推动Chiplet互连标准化的组织，其成员包括AMD、Arm、Intel、Qualcomm、TSMC、Samsung、高级半导体工程公司以及云计算提供商Google、Microsoft和Meta。UCIe的目标是制定一套统一的标准，以提高Chiplet之间的连接性能，包括改善热管理、降低功耗和减少延迟。这些努力有助于提高芯片间通信和集成的效率，增加数据流量。
来源： “计算机刨根问底”公众号 2024-04-12
作者：无争