原创 Chiplet & RISC-V，国产“芯”弯道超车的两大命门

在美国芯片法案的制裁下，我国半导体自主可控迫在眉睫，而目前实现半导体弯道超车的新机遇主要包括：Chiplet封装技术、RISC-V开源框架、FD-SOI平面工艺、EDA软件平台和半导体材料等方面。

今天重点介绍一下Chiplet封装技术和RISC-V开源框架。

目前，Chiplet是新蓝海，是国产设计大机遇。开源开放的RISC-V已经成为仅次于ARM、x86的第三大CPU指令集，是国内芯片自主可控的新契机。

Chiplet封装技术：SoC技术对先进的纳米工艺有着高度的依赖，但Chiplet方案可以明显改善SoC存在的问题。与传统的SoC方案相比，Chiplet模式具有设计灵活性、成本低、上市周期短三方面优势，在摩尔定律放缓后被视为中国半导体企业弯道超车的机会。

RISC-V开源框架：与X86/ARM架构相比，RISC-V架构具有支持模块化、指令数目少、全面开源等优势。“开放”的RISC-V架构，下游应用领域广泛，全球生态体系正在崛起，有望在全球CPU市场抢占一定的市场份额并与X86、ARM形成三足鼎立之势，是国内芯片自主可控的契机。

所谓Chiplet，通常被翻译为“粒芯”或“小芯片”，是相比SoC（系统级单芯片）架构而言的，后者将多个负责不同类型计算任务的计算单元，通过光刻的形式制作到同一片晶圆上。随着处理器的核越来越多，芯片复杂度增加、设计周期越来越长，成本大大增加，SoC芯片验证的时间、成本也在急剧增加，大芯片快要接近制造瓶颈。

而Chiplet就像“搭积木”，把不同的计算单元拆开，把一部分的运算任务用特定制程完成，另一部分则通过其他制程完成，最后，把它拼接在一起，有点像“搭积木”的概念。

这样的好处：1、有利于提高良率，降低制造成本；2、可以实现产品重复使用，缩短产品上市周期。

唯一的缺点是尺寸会比较大一点，大概会到1.2-1.3倍左右。

基于Chiplet的设计方法已被证明是非常适合于超大算力芯片的设计实现思路和工程实践方法，AMD、英特尔、AWS等行业领军企业均在其数据中心CPU上采用了Chiplet技术以实现量产，苹果2022年3月发布的M1 Ultra设计，以及英伟达Grace CPU超级芯片也采用了Chiplet理念。

Gartner预测，基于Chiplet的半导体器件销售收入将从2020年的33亿美元增长到2024年的505亿美元，复合年增长率高达98%，超过30%的SiP封装将使用Chiplet来优化成本、性能和上市时间。届时，在Chiplet市场机会中将有60%为智能手机和服务器应用，而用于PC和服务器终端的基于Chiplet的计算MPU销售收入将超过220亿美元。

在芯片先进制程逼近物理极限的情况下，Chiplet可能是延续摩尔定律的重要手段。

UCIe联盟诞生，Chiplet发展进入快车道

Chiplet是小芯片，如何把“小”芯片联合在一起就很重要。

2022年3月2日，英特尔、AMD、Arm、高通、微软、谷歌、Meta、台积电、日月光、三星等十家行业巨头正式成立通用芯粒互连（Universal Chiplet Interconnect Express，UCIe）产业联盟，携手推动Chiplet接口规范的标准化，推动Chiplet走上了发展的快车道。

UCIe标准出现的意义在于，巨头们合力搭建起了统一的Chiplet互联标准，这将加速推动开放的Chiplet平台发展，并横跨x86、Arm、RISC-V等架构和指令集。

为了应对Chiplet设计中所面临的挑战，行业出现了几种不同的标准。

但是当前阶段UCIe是唯一具有完整裸片间接口堆栈的标准，其他标准都没有为协议栈提供完整裸片间接口的全面规范，大多仅关注在特定层。而且UCIe支持2D、2.5D和桥接封装，预计未来还会支持3D封装。

UCIe联盟推出的基于英特尔和台积电技术的Chiplet标准，我国企业几乎只能作为contributor member，没有话语权。因此，国内产业建立自己的Chiplet标准的呼声不绝于耳。

早在2020年8月，中科院计算所就牵头成立了中国计算机互连技术联盟（CCITA），重点围绕Chiplet小芯片和微电子芯片光I/O成立了2个标准工作组。2021年6月在工信部中国电子工业标准化技术协会立项了《小芯片接口总线技术》《微电子芯片光互连接口技术》2项团体标准。

2022年12月16日，中国首个原生Chiplet技术标准正式通过了工信部中国电子工业标准化技术协会的审定并发布。

《小芯片接口总线技术》标准概况 图源：中国计算机互连技术联盟

目前全球指令集呈现双寡头格局，x86架构垄断了以电脑、服务器为代表的高性能计算领域，ARM垄断了以嵌入式、手机为代表的低功耗和移动计算领域。RISC-V具有模块化、可扩展性的特点，有潜力覆盖从低功耗嵌入式设备，到移动计算，甚至超算的所有计算领域。

目前所有的通用x86架构处理器技术都掌握在英特尔和AMD公司手中，ARM则也受到美国政策的限制。

最新的消息是谷歌已经表态支持RSIC-V架构，并且重视到了等同于ARM的地步。

安卓系统实际上支持多个CPU体系，除了ARM之外还有x86、MIPS，但是MIPS名存实亡，AMD及Intel两大x86厂商对安卓平台意兴阑珊，之前的支持几乎都是失败告终，所以ARM成为安卓阵营事实上的唯一选择了。

谷歌表态安卓支持对RSIC-V阵营来说是个重要的里程碑，代表着谷歌也不会把鸡蛋都放在ARM处理器上，开源开放的RISC-V未来的吸引力更大，只不过安卓对RISC-V的支持还在起步阶段。

从谷歌的表达我们不难发现，连谷歌都已经开始担心被ARM一家独大的局面，选择RSIC-V架构是一种必然。

RISC-V指令集架构具有低功耗、低成本、开源开放、可模块化、简洁、面积小、速度快等优点，与IoT场景需求碎片化的、可定制化的特性十分契合，应用未来主要集中在IoT领域，包括交通、通信、工控以及家电。在IoT等新兴的边缘领域，RISC-V与ARM处于同一起跑线，两者将形成正面竞争，RISC-V在成本等方面具有优势，Arm在生态等方面具有优势。

因此，RISC-V是很有希望促使中国加强处理器IP的话语权，推动产品创新和差异化，建立自主可控的产业生态。

在刚过去的2022年，国际、国内半导体产业“Chiplet元年”的使命已圆满完成，接下来，Chiplet技术和生态的腾飞，还需产业链各个环节的厂商更积极地实现技术突破和普及，进而推动各环节价值重塑。

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