2023年3月24日，半導體行業(yè)先驅(qū)、英特爾聯(lián)合創(chuàng)始人、“摩爾定律”提出者戈登·摩爾在他夏威夷的家中去世，享年94歲。伴隨著戈登·摩爾的去世，似乎他提出的摩爾定律也正在逐漸成為歷史長河中的一個名詞。

　　而現(xiàn)實也似乎確實如此，近年來，伴隨著半導體行業(yè)的制程工藝即將逼近物理極限，帶來的就是每一代晶體管密度的增速在放緩，芯片主頻的提升速度更慢，性能的改善越來越難。

　　這一切的現(xiàn)實，看起來都在印證一件事——摩爾定律正逐漸邁向最后極限。

　　也正是在這樣的背景下，英偉達的創(chuàng)始人、CEO黃仁勛表示，以類似成本實現(xiàn)兩倍業(yè)績預期對于芯片行業(yè)來說已成為過去，“簡而言之，摩爾定律已經(jīng)死了。”

　　但是，也有科技巨頭并不這么認為，在Intel Innovation 2022的開幕活動上，英特爾現(xiàn)任CEO帕特·基辛格聲嘶力竭地表示，“摩爾定律”沒有死，它還活得好好的。

　　而與英特爾持有同樣態(tài)度的，還有英偉達的老對手AMD。最近，蘇姿豐在接受《巴倫周刊》的采訪中，她明確地表示，摩爾定律當前并未消亡，只是有所放緩，當前我們需要采取不同的方式來克服性能、效率和成本上的挑戰(zhàn)。

　　她提到：“晶體管成本的增加、密度提高帶來的改進，每一代的綜合性能提升可能都不大，但我們通過不斷地更迭，一步一步地向前邁進。我們今天在 3nm 方面做了很多工作，也在研究 2nm，將繼續(xù)使用 Chiplet 這類結(jié)構(gòu)來繞過摩爾定律的一些挑戰(zhàn)。”

　　那么，為什么說黃仁勛認為摩爾定律已經(jīng)死了?為什么英特爾、AMD、臺積電等巨頭卻因Chiplet技術而信心滿滿?在3nm工藝良率不高、1nm及以下工藝尚不明朗的情況下，Chiplet又是怎樣掀起一場架構(gòu)創(chuàng)新層面的革命?對我國被卡脖子的芯片企業(yè)又有多大的幫助呢?

　　本文將以Chiplet走到臺前的原因，國際各大廠商應用狀況，國內(nèi)受益產(chǎn)業(yè)鏈及相關公司的順序展開，以期為讀者展現(xiàn)新技術的發(fā)展狀況及投資機會。

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　　Chiplet 走到臺前，是一種必然

　　從1987年的1um制程到2015年的14nm制程的發(fā)展歷程中，集成電路制程的迭代大致符合“摩爾定律”的規(guī)律，隨著工藝進步，集成電路上晶體管密度不斷提升，驅(qū)動計算機性能保持幾何級數(shù)增長，而性能的快速提升也推動了芯片價格迅速下降。

　　但自2015年以來，集成電路先進制程的發(fā)展開始放緩，7nm、5nm、3nm制程的量產(chǎn)進度均落后于預期。

　　而隨著臺積電宣布2nm制程工藝實現(xiàn)突破，量子物理的影響也逐漸顯著了起來，現(xiàn)有集成電路制程工藝已經(jīng)接近了物理尺寸的極限，因此很難進一步往前推進，摩爾定律發(fā)展陷入瓶頸，行業(yè)也正式進入了“后摩爾時代”。

　　資料來源：AMD

　　而在量子物理效應極大地制約了摩爾定律的正常延續(xù)外，先進制程推進所帶來的經(jīng)濟效益也正在銳減。

　　根據(jù)IBS報告，以全球某領先智能手機公司為例，其晶體管的生產(chǎn)成本在16nm工藝節(jié)點下為每10億個晶體管4.98美元，而7nm工藝節(jié)點下為2.65美元。但是整體來說，摩爾定律持續(xù)推進所帶來的成本下降正在逐步放緩，并逐漸難以覆蓋昂貴研發(fā)成本的投入。

　　那么，在摩爾定律的經(jīng)濟效益快速降低、先進制程難以突破物理極限的情況下，集成電路產(chǎn)業(yè)就只能止步不前了嗎?

　　答案自然是否，在先進制程之外，先進封裝與架構(gòu)創(chuàng)新同樣能夠在一定程度上彌補先進制程的缺失，使用面積和芯片的堆疊來換取算力和性能，而這就需要引入系統(tǒng)級別的新設計理念，而Chiplet便是其中之一。

　　作為先進封裝技術的代表，Chiplet走向了和傳統(tǒng)SoC完全不同的道路。

　　隨著對芯片性能的要求日益提高，傳統(tǒng)單片SoC變得太大且成本過高，良率風險也逐漸攀升。在此背景下，集成電路產(chǎn)業(yè)開始思考將不同工藝的模塊化芯片進行組合封裝。

　　Chiplet將復雜SoC芯片拆解成一組具有單獨功能的小芯片單元die(裸片)，通過die-to-die將模塊芯片和底層基礎芯片封裝組合在一起，可以降低成本，減少浪費，并大大改善可靠性。

　　而其底層的實現(xiàn)原理與搭積木相仿，從設計時就按照不同的計算單元或功能單元對其進行分解，然后每個單元選擇最適合的工藝制程進行制造，再將這些模塊化的裸片互聯(lián)起來，通過先進封裝技術，將不同功能、不同工藝制造的Chiplet封裝成一個系統(tǒng)芯片，以實現(xiàn)一種新形式的IP復用。

　　資料來源：芯原股份公告

　　與傳統(tǒng)的SoC相比，Chiplet在設計靈活度、設計與生產(chǎn)成本、上市周期等方面有著明顯的優(yōu)勢。

　　首先，Chiplet在很大程度上降低芯片設計的復雜程度，有效降低研發(fā)與設計成本。

　　Chiplet芯粒設計靈活，且可重復使用，可以僅對芯片上的部分單元進行選擇性選代，即可制作出下一代產(chǎn)品，加速產(chǎn)品上市周期。并且，Chiplet通過采用已知合格裸片進行組合，也能有效縮短芯片的研發(fā)周期及節(jié)省研發(fā)投入。

　　據(jù)悉，設計28nm芯片的平均成本為 4000 萬美元，設計 7nm 芯片的成本上升至 2.17 億美元。而The Linley Group的白皮書中提出，Chiplet技術可以將大型7nm設計的成本降低 25%。

　　資料來源：英特爾，中航證券研究所

　　其次，Chiplet能夠顯著提高大型芯片的良率，降本增效。

　　傳統(tǒng)的SoC將多個不同類型計算任務的計算單元以光刻形式集成在同一片晶圓上，隨著先進制程不斷推進，單位面積上集成的晶體管數(shù)量越來越多，芯片生產(chǎn)中的工藝誤差和加工缺陷顯得愈發(fā)明顯，也對制造過程中的芯片良率提出較高挑戰(zhàn)，因為一個微小的缺陷就可能導致整個大芯片報廢。

　　而Chiplet方案則通過將大芯片分成更小的芯片的方法，將單一裸片面積做小，這樣就算有缺陷出現(xiàn)，也只會導致缺陷所在位置的小芯片報廢，而不會導致整個芯片無法使用，有效地提高了芯片的良率。

　　資料來源：英特爾，中航證券研究所

　　最后，Chiplet還可以通過更加更加合適的制程選擇大幅降低芯片制造成本，縮短上市周期。

　　傳統(tǒng)SoC中的每個邏輯計算單元對性能要求都很高，整體依賴先進制程，具有極高的生產(chǎn)壁壘與制造成本;Chiplet 方案則可針對不同的模塊采取不同合適的制程，分別進行制造或是對外進行采購，最后采用先進的封裝技術進行組裝，將相對落后制程的芯片與先進制程的芯片相組合，大幅降低了芯片的制造成本。

　　此外，還可以對不同芯片進行分別選擇性地迭代，而迭代部分裸芯片后便可制作出下一代產(chǎn)品，大幅縮短產(chǎn)品上市周期。

　　進入后摩爾時代，SoC開始在供電、功耗和散熱等方面力有不逮、設計生產(chǎn)全流程成本大幅增加、制程工藝接近極限之時，Chiplet 作為當下較最關注的半導體發(fā)展方向之一，能夠有效降低能夠有效降低芯片設計與制造的門檻，或?qū)⒊蔀槲磥硎當?shù)年中下提升芯片集成度與算力的重要途徑。

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　　蘋果華為英特爾AMD

　　力推Chiplet產(chǎn)品化落地

　　在如此多的優(yōu)勢之下，Chiplet自然得到了眾多國際巨頭的青睞，而Chiplet技術的內(nèi)部，也分為了兩大技術門派。

　　一類是基于功能劃分到多個Chiplets，而每個Chiplet不包含完整功能集合，而是通過不同Chiplets組合封裝實現(xiàn)不同類型的產(chǎn)品，其中的主流代表有華為的Huawei  Lego架構(gòu)與超威半導體的AMD Zen2/3架構(gòu)。

　　而另一類則是每個Chiplet中都包含較為獨立完整的功能集合，通過多個Chiplets級聯(lián)來獲得性能的線性增長，其中的主流代表有蘋果的Apple M1 Ultra和英特爾的Intel Sapphire Rapids。

　　其中，AMD作為引領Chiplet風潮、產(chǎn)品化進度最快的廠商，其自2019年的Zen 2架構(gòu)便開始采用Chiplet技術，基于Zen 2架構(gòu)的產(chǎn)品在單/多核處理能力上均有很大提升，能耗比改善明顯。

　　使用了Chiplet技術的第二代霄龍?zhí)幚砥髋c第一代相比，核數(shù)增加了100%，晶體管數(shù)增加了102%至380億，而硅片面積僅增加了18%，這充分顯示了7nm制程下高密度優(yōu)勢。此外，第二代的整數(shù)和浮點運算性能也分別提升了144%和97%。

　　此后，AMD也聯(lián)手臺積電，借助臺積電先進的封裝工藝，共同推出了3D Chiplet產(chǎn)品，并于2022年推出了 RDNA3 架構(gòu)的 7000 系顯卡，而這也是史上第一款采用Chiplet技術的 GPU。

　　在3D Chiplet技術的支撐下，AMD產(chǎn)品的競爭力逐漸提升，近兩年來，AMD旗艦CPU、GPU的性能不斷提升，雖然與英特爾相比仍有所欠缺，但市場中已經(jīng)基本形成了兩大寡頭競爭的局面。

　　同時，AMD旗下含Chiplet技術的CPU產(chǎn)品銷量占比不斷提高，在2021年10月至2022年12月間，從約80%上升至97%，讓AMD成為了Chiplet技術當之無愧的代言人。

　　而在AMD之外，英特爾基于IDM優(yōu)勢，也積累了較為完整的互連技術優(yōu)勢。

　　基于IDM的制造優(yōu)勢，英特爾開發(fā)了EMIB(全方位互連硅橋)和Foveros兩種封裝技術，分別對應橫向和縱向之間的連接。英特爾FPGA芯片Stratix 10最早采用了EMIB支持的Chiplet技術。

　　2023年，英特爾基于Chiplet技術發(fā)布了第四代至強可擴展處理器和至強CPU Max，以及數(shù)據(jù)中心GPU Max。

　　資料來源：英特爾官網(wǎng)

　　至強CPU Max擁有56個性能核，內(nèi)核的4個小芯片使用EMIB連接，進行自然語言處理時高帶寬內(nèi)存優(yōu)勢可提升20倍性能。而數(shù)據(jù)中心GPU Max是英特爾針對高性能計算加速設計的第一款GPU產(chǎn)品，一個封裝中有超過1000億個晶體管，擁有47個不同的塊和高達128GB的內(nèi)存。

　　在主攻PC端的廠商之外，蘋果也采用了UltraFusion的架構(gòu)，成功實現(xiàn)高速互連。

　　2022年3月，蘋果推出的M1 Ultra芯片，又一次觸動了芯片界的游戲規(guī)則。該是迄今為止蘋果最強大的芯片，盡管很多計算芯片已采用Chiplet技術提升性能，但蘋果的“拼裝貨” M1 Ultra卻還是讓PC界震撼。

　　M1 Ultra 支持高達 128GB 的高帶寬、低延遲統(tǒng)一內(nèi)存，支持 20 個CPU核心、64個GPU核心和32核神經(jīng)網(wǎng)絡引擎，每秒可運行高達 22 萬億次運算，提供的 GPU性能是蘋果M1芯片的 8 倍，提供的GPU性能比最新的 16 核 PC 臺式機還高 90%，而達到峰值性能時的功耗則要低100瓦。

　　而根據(jù)M1 Ultra發(fā)布的UltraFusion圖示，以及蘋果及其代工廠臺積電的公開專利和論文來看，本次M1 Ultra芯片的UltraFusion架構(gòu)，應是基于臺積電第五代CoWoS Chiplet技術的互連架構(gòu)，也正是臺積電在Chiplet技術中擁有如此先進的制造、封裝工藝，才得以實現(xiàn)蘋果的新架構(gòu)，進而震撼業(yè)界。

　　可以毫不夸張地說，正是因為各大廠商不斷進行的Chiplet架構(gòu)領域的研究，還有以臺積電為代表等廠商持續(xù)推制造工藝，才讓近年來硬件圈仍能保持較快的發(fā)展速度，而未來對Chiplet的研究，也將繼續(xù)推進下去。

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　　Chiplet，通富微電和芯原股份的機會?

　　在國際巨頭們紛紛入局的情況下，國內(nèi)自然也有所涉足，但對于我國來說，Chiplet不僅僅意味著尖端技術的推進，還意味著國產(chǎn)現(xiàn)有半導體制造能力的提升。

　　我們在與華為負責先進封測核心技術的部門研發(fā)總監(jiān)的交流中，對方表示，對于中國半導體產(chǎn)業(yè)來說，Chiplet技術是在短期內(nèi)最有機會破局先進制程限制的路線。但雖然相當于換到了一個新的賽道，有了更多的機會，但整體上來說國內(nèi)仍然需要加速追趕，其中封裝作為最有機會的產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)，涌現(xiàn)了眾多優(yōu)秀的國產(chǎn)廠商與投資機會。

　　先進封裝技術是Chiplet 實施的基礎和前提，而近年來我國封測行業(yè)穩(wěn)步發(fā)展，快速成長。

　　目前我國集成電路領域整體國產(chǎn)自給率較低，尤其是半導體設備、材料與晶圓制造等環(huán)節(jié)，與國際領先水平差距較大，而封測為我國集成電路領域最具國際競爭力的環(huán)節(jié)，2022年，中國大陸有4家企業(yè)進入全球封測廠商前十名，分別為長電科技、通富微電、華天科技和智路封測。

　　而其中，通富微電作為深度綁定AMD的廠商，近年來業(yè)績快速增長。

　　通富微電主要提供集成電路設計仿真，圓片中測，封裝，成品測試，系統(tǒng)級測試等一站式服務，在2022的全球封測廠商中排名第五。公司封裝類型齊全，涵蓋框架類封裝、基板類封裝、晶圓級封裝及COG、COF和SIP等，可以應用于眾多消費、使用場景。

　　而得益于技術的領先， 通富微電目前已與AMD、英飛凌、意法半導體、聯(lián)發(fā)科、長江存儲等國內(nèi)外細分領域頭部廠商建立了長期穩(wěn)定的合作關系。而作為深度綁定AMD的封測廠商，通富微電的業(yè)績，也伴隨AMD崛起快速增長。

　　根據(jù)與通富微電相關人士的交流，奇偶派得知AMD GPU 80%都是由通富微電來進行封測，AMD全系列產(chǎn)品占到了公司收入的五成之上。

　　通富微電于2016年成功收購了AMD蘇州及AMD馬來西亞檳城各85%股權(quán)，與AMD形成了“合資+合作”的強強聯(lián)合模式，在深度鎖定了AMD供應鏈并占據(jù)AMD封測訂單大部分份額的同時，積極承接國內(nèi)外客戶高端產(chǎn)品的封測業(yè)務，進一步增強了公司業(yè)績確定性。

　　通富微電營收圖

　　資料來源：choice，東方財富證券研究所

　　而在Chiplet技術方面，通富微電提前進行了2.5D/3D等先進封裝技術布局，公司目前已建成國內(nèi)頂級超大尺寸FCBGA 研發(fā)平臺與2.5D/3D封裝平臺，各項技術布局進展順利。

　　目前，已經(jīng)開始大規(guī)模生產(chǎn)Chiplet產(chǎn)品，工藝節(jié)點方面，7nm產(chǎn)品成功實現(xiàn)量產(chǎn)，5nm產(chǎn)品也完成了研發(fā)，進入量產(chǎn)前夕， 隨著AMD采用Chiplet技術的新產(chǎn)品陸續(xù)發(fā)布，公司有望充分受益。

　　而在封測之外，上游的半導體IP在IC設計中，也起著不可或缺的作用。

　　半導體IP是指集成電路設計中預先設計、驗證好的功能模塊，位于IC設計上游，提供SoC所需的核心功能模塊，該環(huán)節(jié)擁有技術密集度高、知識產(chǎn)權(quán)集中、商業(yè)價值昂貴等特征，是集成電路設計產(chǎn)業(yè)的核心產(chǎn)業(yè)要素和競爭力體現(xiàn)。

　　Chiplet則開啟了新型IP復用模式，將硅片級別的IP進行復用，大大降低了開發(fā)時間、提高了產(chǎn)品良率與重復使用率，同時也給予了芯片IP公司新的發(fā)展機遇。

　　而在國內(nèi)，芯原股份作為業(yè)內(nèi)的佼佼者，或?qū)⒔鐲hiplet技術快速發(fā)展。

　　芯原股份是國內(nèi)領先的一站式芯片定制服務和半導體IP授權(quán)服務企業(yè)，在全球半導體IP授權(quán)供應商中排名第七，而IP種類與成長率在全球前七中排名均為前二。

　　芯原有六大核心處理器IP，分別為圖形處理器IP、神經(jīng)網(wǎng)絡處理器IP、視頻處理器IP、數(shù)字信號處理器IP、圖像信號處理器IP和顯示處理器IP，此外還有1400多個數(shù)�；旌螴P和射頻IP。

　　芯原股份IP數(shù)量示意圖

　　資料來源：芯原股份招股說明書，東莞證券研究所

　　而在Chiplet領域的探索上，芯原股份在極早期便前瞻性布局IP芯片化，目前公司已經(jīng)推出了基于Chiplet架構(gòu)所設計的高端應用處理器平臺，該平臺12nm SoC版本已完成流片和驗證，并正在進行Chiplet版本的迭代。

　　此外，芯原還是中國大陸首個加入UCIe產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的企業(yè)，也意味著受到了國際Chiplet“聯(lián)盟”的認可。未來，利用Chiplet技術進行IP芯片化有望讓公司充分受益于尖端技術發(fā)展，帶來全新商業(yè)模式。

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　　寫在最后

　　進入后摩爾時代后，當先進制程難以推動硬件設備快速發(fā)展之時，Chiplet技術已經(jīng)成為半導體行業(yè)的重要發(fā)展趨勢之一。據(jù)研究機構(gòu)Omdia數(shù)據(jù)顯示，全球Chiplet處理器芯片市場規(guī)模預計到2024年達58億美元，而到2035年將突破570億美元。

　　而對于國內(nèi)來說，在先進制程發(fā)展被封鎖，難以快速推進的情況下，Chiplet也為國產(chǎn)替代開辟了新思路，有望提升中國集成電路產(chǎn)業(yè)綜合競爭力，成為我國集成電路產(chǎn)業(yè)逆境中的突破口之一。

　　而在這個產(chǎn)業(yè)發(fā)展疊加封鎖突破的大背景下，國內(nèi)相關產(chǎn)業(yè)鏈也將迎來價值重塑，產(chǎn)業(yè)鏈中的相關公司本就實力充足，也必會在本次更換賽道的發(fā)展中躋身國際龍頭，尋找到新的業(yè)績增長空間。

　　參考資料：

　　1.《后摩爾時代新星，Chiplet與先進封裝風云際會》，中航證券;

　　2.《Chiplet與先進封裝共塑后摩爾時代半導體產(chǎn)業(yè)鏈新格局》，東方財富證券;

　　3.《Chiplet助力半導體產(chǎn)業(yè)彎道超車，先進封裝、IC載板、半導體IP等多環(huán)節(jié)受益》，東莞證券;

　　4.《Chiplet如何助力AI芯片算力跨越》，民生證券;