Chiplet，面臨成本挑戰

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Chiplet 正在成為半導體市場發展的一個重要新階段，它提供了一種超越光罩尺寸限制，持續提升效能的方法。然而，這種改進的成本高昂，複雜性也大幅提升，迄今為止，這限制了其應用。

成本上升的主要原因之一是採用小晶片時需要先進封裝，這代表著半導體設計、製造和測試方式的根本性轉變。由於沒有固定的方案，先進封裝需要投入額外的時間、精力、專業知識和實驗。標準最終可能有助於降低風險，但目前尚不清楚先進封裝的成本是否會超過傳統封裝。

“沒人真正知道什麼時候chiplet技術會在汽車、工業和類似市場中真正發揮作用，”弗勞恩霍夫IIS自適應系統工程部高效電子負責人安迪·海尼格（Andy Heinig）表示。“這不僅僅是標準的問題。這或多或少是一場關於它何時真正具有經濟意義的討論。”

Chiplet在某些方面確實很出色。

Chiplet的設計理念在很大程度上推動了其發展，因為成本比可行性和/或效能更重要。“我們看到資料中心晶片取得了很大進展，但這是因為單晶片尺寸過大，”Heinig 說道。“現在晶片尺寸已經達到了光罩尺寸，很容易將一塊晶片切成兩半。”

一般來說，晶片越小、越專用，良率就越高，這反過來可以抵消先進封裝的部分額外成本。早期參與者仍在不斷推進，這表明這是一個淨利好。

擴充套件某些電路仍有益處。先進的工藝節點可以提供舊工藝無法提供的效能和功耗改進。需要這種效能的前沿系統可以選擇——構建單片晶片或採用晶片集。晶片集的優勢在於並非所有電路都需要在同一節點構建。如果它們能夠採用更低成本的工藝和更低的掩模成本來製造，將有助於降低矽片實現的總成本。因此，部分矽片開發成本應該會降低，儘管先進封裝設計所需的額外工作可能會消耗部分節省的成本。

Chiplet 的優勢還在於，單個 Chiplet 可以設計用於多種產品。初期開發成本較低，現在可以分攤到多種產品上，進一步降低成本。

Synopsys產品管理總監 Rob Kruger 表示：“也許你的某個應用的 I/O 不會發生太大變化，你可能會在兩三代產品中重複使用這些晶片。然後，你只需重新設計處理演算法發生變化的晶片。一旦你擁有了這套晶片，並且它們能夠協同工作，那麼你就可以進行混合搭配，並從低端到中端再到高階進行擴充套件。”

如果成本是首要考慮因素呢？

上面列出的許多好處都體現了成本節約，但只有在特定條件下才能實現，例如：

晶片尺寸將大於光罩；
晶片尺寸過大，無法實現經濟效益；
需要先進的工藝，並且一家公司生產高效能系列產品，可透過小晶片擴充套件功能。

模擬和其他非CMOS功能，例如儲存器、MEMS和光學器件，也可以從基於晶片的方法中受益。多年來，業界一直在微控制器 (MCU) 中整合CMOS、模擬和儲存器，這些功能通常用於注重成本的系統中。因此，一些歷史經驗表明，在這些價位上進行單片整合可以實現成本效益。相比之下，除了感測器/執行器訊號調理和控制之外，MEMS和光學器件與CMOS的整合一直受到限制。

國防市場也提供了一些機會，像美國國防部高階研究計劃局 (DARPA) 這樣的機構一直是推動 Chiplet 技術發展的重要力量，並且在一定程度上注重價格敏感性。但在價格敏感型市場，對 Chiplet 的興趣顯著下降。

封裝成本能否大幅降低？

消費級和工業級客戶主要關注 MCU，其價格通常低於 10 美元。任何程度的成本節約都不是壞事，而將單片晶片拆分開來，或許能帶來一些名義上的成本節約，因為良率會略有提高。但無論如何，大多數注重成本的晶片良率都很高，因此這種節省可能並不會太多。

晶片分解的一大變化是從標準封裝轉向先進封裝。毫無疑問，如今先進封裝的成本遠高於標準封裝。封裝本身的成本可能高於某些晶片的平均價格。

“我在 Chiplet 峰會上做了一個演講，提到了成本可能在 10 到 20 美元之間的套餐，”Heinig 說。“然後我之後的一次演講卻說，‘抱歉，我的套餐只能賣 20 美分。’”這簡直是 100 倍的差距。

中介層還帶來了其他問題。Promex 營運長 David Fromm 表示：“很多人無法獲得中介層，無論是排隊購買還是付費購買，都無法獲得。”

為了降低成本，一些公司正在努力擺脫矽中介層。“現在，他們正在轉向其他技術中介層（例如玻璃），然後再轉向帶有矽橋的引導基板，”Synopsys 的 Kruger 說道。

未來成本能否下降到足以改變現狀還有待觀察。毫無疑問，在充分學習和建立標準實踐之後，先進封裝的成本將會下降。但真正的問題是，它的成本是否會降到低於傳統封裝的成本。

“如果我們談論的是引線鍵合或倒裝晶片封裝，可能不行，”加州大學歐文分校電子工程與計算機科學系助理教授Boris Vaisband表示。“我懷疑我們是否會設計基於小晶片的洗碗機晶片或真正低端的產品。但我相信在中端規模上，這方面還有發展空間。”

日月光公司(ASE)研究員兼高階技術顧問 Bill Chen也認同這種觀點，認為先進封裝的成本有可能低於簡單的引線鍵合封裝。“說到引線鍵合，我會想到我們臺灣的工廠，那裡的自動化程度很高，”他說道，“一個操作員就能操作 20 到 30 臺引線鍵合機。因此，我很難想象先進封裝組裝的自動化能夠超越那些工廠。”

整合能節省成本嗎？

傳統上在一塊PCB上使用多個晶片的低成本系統也能從Chiplet技術中受益。在某些情況下，這種好處可能是節省空間。如果是這樣，那麼在優先順序方面，成本就被面積所取代。但在很多情況下，價格仍然是一個障礙。

這裡的關鍵變數是整合能否降低成本，而這取決於整合的內容和整合的難度。如果整合晶片的總成本很低——比如說在 10 美元左右——那麼短期內很難推出具有成本效益的基於 Chiplet 的產品。隨著先進封裝成本的下降，任何成本的增加都可能減少，從而減輕成本負擔。

如果其中一個整合芯片價格較高，那麼在該封裝中新增幾個其他晶片組可能是一個成功的策略，從而可能降低總體成本。“由於集成了所有元件，該應用的成本會更低，”ASE 的陳先生觀察到。

長遠考慮

將 MCU 拆分成多個 chiplet 可能會在一代產品中增加成本。但如果策略性地進行，那些不太可能發生變化的電路（例如成熟的 I/O）可以分離到 chiplet 中，以便在未來版本中重複使用。在未來版本中，只有功能發生變化的 chiplet 才需要重新設計，而且該開發專案所需的投資將比第一個專案少得多。

Gen2 的預期節省能否計入 Gen1 的價格，以保持其競爭力？如果不能，並且你是競爭對手中第一個這樣做的，那麼 Gen1 更高的價格是否會阻礙其成功，並威脅到 Gen2 專案？如果你的 Gen1 領先於其他公司，那麼你將是唯一一家成本更高的公司。

當然，如果你的競爭對手在第二代上採取行動，那麼當你的第二代成本較低時，他們的第二代成本也會較高——但前提是第一代最初足夠成功，值得你推出第二代。

圖 1：晶片組的經濟效益可能需要經過多代產品才能顯現。分解專案涉及所有晶片組的設計。下一代晶片組可能允許部分第一代晶片組在第二代晶片組中重複使用。來源：Bryon Moyer/半導體工程

如果你的競爭對手等待了太多代才採取行動，那麼第二代及以後的節省是否能讓你在價格上與單片實現競爭？這充分說明了時機的重要性以及過早行動的風險。

克魯格說：“你可能會因為在眾多競爭對手之前轉向小晶片而受到懲罰，除非你提供某種無法透過其他方式實現的功能。”

我們能計算出汽車市場能節省多少成本嗎？

汽車市場也對 Chiplet 表現出了興趣。但它在這方面的表現如何尚不清楚。一些高階駕駛輔助系統 (ADAS) 需要大型晶片，因此它們將像資料中心晶片一樣受益。

Cadence 矽片解決方案事業部傑出工程師 Moshiko Emmer 表示：“如果沒有 chiplet，晶片尺寸就會達到極限，因為如果你想把 CPU，還有 AI NPU、記憶體、視覺和 DSP 都整合到同一個晶片上，那根本做不到。它太大了。”

汽車是一些人所稱的“物理AI”的一個例子，其中還包括機器人和無人機。在這些市場中，晶片的採用方式與它們在資料中心的發展方式有所不同。

“在資料中心，你會有一個 CPU 晶片組，它會被複制多次以增加核心數量，”Emmer 指出，“在物理 AI 的場景中，你會擁有一組不同的晶片組，每個晶片組都服務於不同的功能系列。但你可以在同一個平臺上實現更多功能。”

差異化也很重要，OEM 的競爭領域已經發生了變化。“到目前為止，寶馬、賓士和奧迪之間的競爭主要集中在發動機的強勁程度，”Emmer 說道。“一旦它們都推出電動汽車，競爭就需要轉移到其他方面，比如 ADAS 或資訊娛樂系統。因此，OEM 對採用不同供應商的不同晶片組非常感興趣。”

並非所有汽車都花哨。Heinig指出，如果重點關注 ADAS，就會出現一個實際問題。“我們與汽車製造商討論過，只有 5% 的汽車真正擁有完整的 ADAS 功能，因為它太貴了。ADAS 功能是一個利基市場，這是一個大問題。你需要雷達、攝像頭，或許還有雷射雷達。每個感測器的成本在 500 美元或 200 美元之間，你需要 10 個或 15 個這樣的感測器。現在大家都發現它非常非常昂貴。”

那麼，那些負責將車輛從這裡運送到那裡的平凡晶片呢？無論是廉價的破舊轎車還是豪華轎車，它們都承擔著繁重的工作。這個問題很難回答，因為成本模型本身就很模糊。“你必須比較成本模型，而每家汽車製造商都有不同的成本模型，”Heinig 說。“每家原始裝置製造商的成本計算方式都不同。有些成本會被推到一級供應商或二級供應商身上，這些模型真的很難理解。我們很難建立一個成本模型，並解釋 Chiplet 的優勢。”

Cadence 正在開發基於 Chiplet 的汽車參考設計，並考慮到了部分成本敏感性，推出了適用於傳統封裝的較小版本。“主 Chiplet 包含大部分功能以及一個應用程式叢集，”Emmer 解釋說。“因此，它可以作為一個獨立的系統執行，並且可以獨立封裝。”

眾所周知，汽車市場的交付週期很長，部分原因在於該業務的安全特性。但戰略變革本身也進展緩慢，而決定轉向小晶片技術則是一個重大轉變。“汽車公司需要時間來決定這是正確的發展方向，而我目前還不認為這是正確的方向，”陳說道。

Chiplet市場將服務於哪些應用？

如今，Chiplet設計絕大多數由大型半導體和系統公司主導，這些公司有能力資助Chiplet的多個開發專案以及封裝。這些公司基本上控制著封裝內的每個重要元件。

“大資料公司會設計他們所需的東西，他們可以承擔費用並獲得他們所需的絕對效能，”克魯格指出。“他們甚至可能不需要開放相容性，只要它在他們的系統中相容就行。”

這種情況與那些期待開放的晶片市場的人所設想的情況截然不同，在開放的晶片市場中，人們可以以與今天購買軟 IP 功能相同的方式獲得硬化的矽功能。

這一願景有利於那些擁有優秀創意但預算有限的公司。公司無需為封裝開發每一個晶片，而是可以專注於實現其優秀創意的差異化矽片，並向市場尋求其所需的其他標準產品。這對於初創公司來說尤其具有吸引力。

“（小）廠商希望擁有這個開放的chiplet生態系統，這樣他們就不必事事親力親為，”Kruger說道。“而且他們可能無力承擔最新一代工藝技術、流片和多個chiplet的成本。所以他們希望擁有這個生態系統。”

但是，如果上述問題的答案表明注重成本的設計不會從 Chiplet 中獲益，那麼這是否會排除該市場的使用者呢？如果不是出於生存的考慮，投資者會支援更昂貴的方案嗎？Chiplet 版本是否真的符合最低限度可行的標準？

成本並非唯一限制因素

如今，有兩個因素限制了對小晶片的採用。一是成本。二是風險，這是一個大問題，因為如今每家公司都在發明自己的流程，而每個新專案都可能刺激對其他新流程的需求。“不僅僅是成本問題，”Promex 的 Fromm 指出。“如果你的產品開發失敗，風險就更大。那可不是什麼好事。組裝這些裝置顯然比標準裝置昂貴，但不僅僅如此。你必須考慮如何測試它。如何管理電源？如何管理熱量？如何管理組裝翹曲、不匹配和可靠性的物理影響？也許成本合理，或者接近標準，但風險不值得。”

很少有公司有多餘的資源去冒這個險。按照現代標準，資源閒置意味著效率低下。在這方面，沒有哪家公司比初創公司的要求更高，因為初創公司的任務是專注於在儘可能短的時間內開發出一個最小可行產品。

技術討論和標準將解決這一風險。一旦過程中未知因素減少，就會有更多公司願意參與。

大聲說出內心的聲音

如今，Chiplet 市場面臨諸多障礙，人們正在投入大量討論和努力來解決這些問題。加州大學歐文分校的 Vaisband 指出：“我們仍在努力定義這種被稱為 Chiplet 的正確抽象層次。”

但這些主要與技術問題有關。哪些標準能夠確保晶片互連時的互操作性？哪些設計流程才能更有可能一次性成功？哪些可靠性挑戰必須解決？

有一個問題很少被人提出。如果我們解決了所有這些技術難題，即使在成本敏感的市場中，最終結果能否與現狀保持成本競爭力？如果我們投入巨資建立必要的基礎設施，Chiplet設計在經濟效益上是否更有利？如果你建了Chiplet，他們會來嗎？

克魯格從另一個角度就市場提出了這個問題：“人們會為了這種更簡單的開發環境而放棄成本嗎？在某些情況下是的，在某些情況下則不會。”

有些人相信，即使現在找不到理由，經濟回報終將實現。“從科技發展史來看，一定會有突破，”弗洛姆說。

然而，Chiplet 仍有可能只在某些市場中成為可行的選擇。“我們將 Chiplet 的重點放在特定市場是件好事，因為如果試圖將 Chiplet 推廣到所有地方，將會非常困難，”Emmer 說道。“如果基礎微控制器價格非常低廉，我仍然認為它們有市場。如果沒有問題，我們就不需要去修復它。”

參考連結

https://semiengineering.com/can-chiplets-serve-cost-conscious-apps/

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