ns半导体 Chiplet的头等大事

Chiplet的头等大事

芯片行业在小芯片（chiplets）基础设施标准化方面取得了进展，为更快、更可预测地集成不同供应商的不同功能和特性奠定了基础。

从小型、高度专业化的芯片菜单中进行选择，并针对特定的应用程序和用例混合和匹配它们的能力已经出现了十多年。但在 2016 年国际半导体技术路线图结束后，将硬 IP 集成到封装中的想法真正开始流行起来。从那时起，芯片制造商一直在寻找各种不同的选择来补充微缩挑战，因为自22nm以来，每一种新的微缩技术都变得越来越昂贵。

小芯片已成为扩展摩尔定律或完全回避它的一种方式，具体取决于应用。无论哪种方式，最近推出的通用 Chiplet Interconnect Express (UCIe) 规范 1.0 都是一种支持技术，它提供了一种标准方法，可以将这些有限的功能/特性小芯片连接到一个半定制的封装中。

UCIe 采用与PCIe类似的方法，PCIe 是一种用于 PCB 的标准化接口，使供应商能够混合和匹配各种设备以实现图形、内存和存储等功能。UCIe 将其降低到 die-to-die 互连的水平，并得到了 AMD、Arm、ASE、谷歌、英特尔、Meta、微软、高通、三星和台积电等行业巨头的支持。

行业参与者的最终目标是为小芯片创建一个大型生态系统或市场，可以使用预先表征的现成组件快速组装。从制造的角度来看，小芯片提供了更快的生产时间，因为它们的物理尺寸比 SoC 小。困难的部分是将设备集成到由多个供应商开发的具有可预测结果的封装中。这就是UCIe 发挥关键作用的地方。

“像 UCIe 这样的标准化互连协议可以作为强大的小芯片技术生态系统的关键推动者，”西门子 EDA的 IC 验证部门的验证 IP 产品经理 Gordon Allan 说。“反过来，除了分解带来的固有裸片良率优势外，该生态系统还可以实现更高的生产力和更快的上市时间。虽然 UCIe 本身并不会提高芯片良率，但由于小芯片尺寸更小，并且有机会在其功能的理想节点点实施，因此小芯片的使用创造了提高良率的机会。”

Chiplets 将用于各种细分市场，从高性能计算到物联网、5G、汽车、医学成像、边缘计算、人工智能和移动设备。在所有这些市场中，芯片制造商都面临着提供更高性能和更针对特定领域的解决方案的压力，但与此同时，其中许多设备的生产量将比智能手机或服务器小得多。

这就是类似 LEGO 的小芯片方法适合的地方，而 UCIe 是该策略的核心要素。与 PCIe 相比，标准封装的 UCIe shoreline带宽（线性）为 28 到 224，高级封装为 165 到 1317 GB/s/mm，相比提高了 20 到 100 以上。PCIe 的延迟约为20ns。在小于 2ns (Tx + Rx) 时，UCIe 提供了 10 倍的改进。电源效率为0.5（标准封装）和0.25（高级封装）pJ/b，提高了10倍以上。这很重要。更高的功率效率转化为更低的热量产生并最终为半导体带来更高的可靠性。

英特尔、台积电和三星这三个代工厂目前正在开发 3nm 工艺技术，英特尔的路线图将 2nm 以下扩展到埃领域。但在这些节点上开发芯片需要在良率学习和散热、新晶体管类型、新材料以及High NA EUV 光刻方面面临重大挑战。通过限制在这些高级节点上开发的内容，并将加速器和内存等其他组件作为单独的小芯片封装在一起，产量和上市时间都得到了改善。

UCIe 是朝着这个方向发展的重要成果，第一个版本同时解决了 2D 和 2.5D 制程。UCIe 3D 工艺也在进行中，有望进一步简化小芯片连接并缓解当今的一些制造问题。

典型的 SoC 封装包括多功能模块，例如处理器、协处理器、加速器、存储器以及其他控制器和I/O 功能。小芯片设计将这些功能块分成更小的小芯片。UCIe 不是制造包含所有这些多功能模块的大型单片芯片，而是为制造商提供了一种方法来分别构建处理器和 I/O 小芯片，然后再连接这些功能模块（小芯片）。

如果任何小芯片在制造过程中遇到问题，它们可以被丢弃并用其他小芯片替换，但该封装中的其余组件将保持不变。这种方法可以提高生产效率、缩短上市时间并节省成本。随着商业小芯片的开发，它还可能提供更多选择，允许芯片制造商准确地构建客户需要的东西。这些小芯片也可以多次重复使用，例如在存储器的情况下，或者它们可以针对特定应用进行定制。

对于今天的无晶圆设计，内存块可以反复使用，但设计人员仍然必须通过相同的设计步骤将其集成到单片芯片或高级封装中。使用标准化接口，可以加快这一过程。

“对于代工厂而言，多die设计可能意味着更多的die流片。”Synopsys产品营销高级总监 Mick Posner 说。“代工厂还可能会尝试通过提供一些现成的裸片来促进多裸片业务，这些裸片的使用方式与它们已经用于关键 IP 块的方式类似。这可能会让代工厂更好地利用‘旧’节点的产能，即使对于非常先进的设计也是如此。”

然而，这并不是一项微不足道的努力。“为此，die-to-die 接口必须在所有相关节点上都可用，”Posner 说。“无晶圆厂芯片设计人员将能够专注于他们的差异化因素，并依靠芯片封装来实现其他‘通用’功能，就像他们今天对 IP 所做的那样。同样地，芯片制造商可以通过提供更具可扩展性的解决方案并以小芯片的形式提供可组合的产品，以供其他人以乐高方式与他们的“秘密武器”（例如加速器、GPU 等）进行组装，从而扩大他们的市场。IP 供应商可以选择通过提供基于许可使用、版税和/或硬件数量的新商业模式的硬化或已知良好芯片格式的专用 IP 子系统来扩展生态系统。”

其他人指出了类似的好处。Arm公司产品管理高级总监 JeffDefilippi 表示：“人们很清楚需要基于小芯片的处理器来提高性能和降低成本。基础设施业务线。“但直到最近，关于如何利用小芯片架构的优势超出供应商特定的实施，几乎没有一致意见。UCIe 技术定义了一个开放的行业标准，用于在封装级建立无处不在的互连，满足客户对更可定制的封装级集成的要求。它结合了来自可互操作、多供应商生态系统的一流芯片对芯片互连和协议，并从头开始构建和指定，以提供最佳 KPI，同时满足广泛的采用标准。这使最终用户能够混合和匹配来自多供应商生态系统的小芯片组件，用于 SoC 构建。”

小芯片也解决了芯片设计中的另一个棘手问题。随着更多功能被添加到芯片中，包括 AI/ML，芯片的物理尺寸不断增长。但它们在制造过程中受到掩模版尺寸的限制，掩模版尺寸决定了晶片上可以用单个掩模无误地曝光的表面积量。目前，掩膜版的尺寸限制在 800 到 850mm² 之间，这也是当今光刻设备所能达到的数字。在此限制内，设计人员可以选择生产许多简单的芯片，或者生产较少复杂的芯片，例如结合处理器、协处理器、存储器和 I/O 的芯片。

UCIe 改变了这一模式，使芯片设计人员能够以更少的工作量、更短的交货时间和更高的产量为特定应用开发定制（定制）解决方案。例如，一个需要射频调制解调器但只需要两个内存块的通信芯片将能够连接 3nm 处理器与 28nm 射频，加上两个内存块和其他 I/O。使用 UCIe 连接这些模块为设计人员提供了更高程度的灵活性。

图 2：随着芯片尺寸变小，半导体开发成本上升。UCIe 制造过程可能会减缓增长速度。

UCIe 1.0 是第一个支持基于 PCI Express (PCIe) 和Compute Express Link (CXL)行业的 die-to-die I/O 物理层、die-to-die 协议和软件堆栈的开放行业标准标准。它包括业界领先的 KPI、调试支持和合规性注意事项。目标是确保芯片组互连和互操作。UCIe 的未来目标包括添加定义高级小芯片外形和管理的附加协议。

“UCIe 是一个综合规范，旨在推动围绕多die SoC 设计的连贯生态系统，”Synopsys产品营销高级总监 Shekhar Kapoor 说。“UCIe联盟已经发布了一个 die-to-die 接口规范，它比其他选项更具包容性，涵盖了完整的协议栈以及物理层。因此，它可以解决最相关的多die SoC 用例。相比之下，其他标准工作主要集中在接口的物理层方面。除了完整性之外，UCIe 规范在其提出的性能指标（如边缘效率、电源效率和延迟方面）也很有吸引力。UCIe还定义了一个连贯的路线图，以符合行业的预期未来需求，换个角度来看，Marvell、英特尔和 AMD 已经在几代芯片中使用小芯片方法，这使它们具有优于竞争对手的先天优势。但随着业界其他公司开始采用这种乐高积木方法，它为所有芯片制造商开辟了类似的定制能力。

“采用标准化定义，以及发布 UCIe 成员承诺在商用小芯片中使用的标准化小芯片 I/O 接口，应该会扩大和简化小芯片技术的采用，”西门子的Allan说。“这可能包括参考工具包、合规文档和开放支持。结果将是任何希望使用商业小芯片的人都可以轻松做到这一点，就像今天的设计师可以使用 HBM 内存并将其集成到他们的设计中一样。从稳定性的角度来看，UCIe 将受益于 PCIe 和 CXL 的基础，这些基础正在被市场广泛采用。这对于未来 UCIe 解决方案的稳定性来说是个好兆头。此外，安全性有望成为小芯片采用的一个积极因素，因为通过将它们放置在芯片上可以使功能更加安全，现在可能在小芯片中处于芯片外。UCIe 所基于的底层 PCIe/CXL 协议具有强大的安全实现 (IDE)，可以为采用小芯片的用户提供安全保障。”

图 3：半导体、封装、IP 供应商、代工厂和云服务提供商的领导者正在联手推动新的开放式小芯片标准。资料来源：UCIE 联盟

总体而言，半导体行业对新标准充满热情。但这只是起点。下一步是建立一个小芯片生态系统，该生态系统具有良好的特征并在硅片中得到验证。

Cadence负责信号完整性的产品工程架构师 Ken Willis 说：“对于内插器上的小芯片设计，目前存在详细的物理实现工具，以及详细的布局后提取和信号完整性、电源完整性和热仿真工具。” “仍然需要的关键功能是为早期可行性和权衡分析提供支持的预设计分析环境，以帮助在实施时做出架构和系统级决策。这将需要访问合格的小芯片分析模型库、代表性中介层互连库，以及跨中介层/封装/电路板快速“虚拟原型”潜在实施方法的能力，以实现多学科分析。”

还有很多工作要做。“UCIe 倡导者已经明确定义了他们的重点领域，其中包括具有行业领先 KPI 的裸片到裸片 I/O、用于近期批量附加的 CXL/PCIe，以及确保互操作性和演进的明确规范，”说西门子 EDA 嵌入式板系统部门的产品经理 Keith Felton。“展望未来，UCIe应该寻求与其他专注于实现小芯片商业化和使用的行业联盟密切合作，例如作为开放计算项目 ODSA/CDX 业务工作组一部分的小芯片设计交换 (CDX) 项目。”

UCIe 是重要的第一步。“一个完整的接口解决方案包含许多不同的元素，包括协议、PHY、安全性、管理、调试和外形尺寸，”Arm 的 Defilippi 说。“业界一直在以定制的方式解决这些问题，现在 UCIe 将面临这些元素标准化的挑战。”

尽管如此，在行业重量级人物的支持下，UCIe 规范 1.0 正在获得动力。新兴的开放式行业标准提供了更好的性能、低功耗和更高的产量。此外，计划中的 3-D 重点有望促进整个半导体生态系统的发展。

“目前，UCIe 规范 1.0 解决了 2D 和 2.5D 流程，”英特尔高级研究员兼 I/O 技术首席架构师、UCIe 标准推动者成员 Debendra Das Sharma 说。“我们希望在未来的版本中涵盖 3D。UCIe通过定义通用标准接口提供性能和电源效率改进，它将使整个小芯片生态系统受益。IP 开发商和小芯片制造商，包括制造处理器、存储器、协处理器、加速器、控制器和不同类型 I/O 的制造商现在可以参与其中。他们将共同加速未来的半导体创新。”

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晶圆｜集成电路｜设备｜汽车芯片｜存储｜台积电｜AI｜封装

美国对第四代半导体等技术实施新出口管制，针对中国吗？

【文/观察者网 吕栋 编辑/周远方】

在半导体等先进技术领域，美国频繁用行政手段干预正常的市场竞争。前几天，拜登刚签署了2800亿美元的芯片法案，限制半导体巨头们对华投资，转眼美国商务部又对几项新技术进行出口管制。

当地时间8月12日，美国商务部工业和安全局（BIS）发布公告，称出于国家安全考虑，将四项“新兴和基础技术”纳入新的出口管制。这四项技术分别是：能承受高温高电压的第四代半导体材料氧化镓和金刚石；专门用于3nm及以下芯片设计的ECAD软件；可用于火箭和高超音速系统的压力增益燃烧技术。

尽管BIS并没有直接提到中国，但汇业律师事务所高级合伙人杨杰向观察者网指出，中国现在属于被美国列为国家安全管控的国家之一，只要技术和物项被美国政府列入出口管制目录，大概率就会对中国的出口设置限制，比如美国企业对华出口需要许可证等，这实际上会造成中美在半导体领域里进一步脱钩。

图源：BIS

美国商务部副部长艾伦∙埃斯特韦斯（Alan Estevez）在公告中宣称，美国进行出口管制是为了让“全球各地的公司能在一个公平的竞争环境中运行”。他提到，科技进步使得半导体和发动机等技术运行的更快、更高效和更耐用，甚至可以在更恶劣的条件下运作，这可能使它们成为商业和军事领域“游戏规则”的改变者。

BIS在公告中声称，将四项支持生产先进半导体和燃气涡轮发动机的技术纳入出口管制，是《瓦森纳协定》42个参与国在2021年12月全体会议上达成一致的结果。此外，美国还在管控更多的技术，包括用于半导体生产的设备、软件和技术，这些管控已超出《瓦森纳协定》中商定的项目。

尽管美国打着42个国家的旗号，但俄罗斯卫星网等外媒早就揭露过，《瓦森纳协定》实际上完全受美国控制。当协定中的某一国家拟向中国出口某项高新技术时，美国甚至直接出面干涉。如捷克拟向中国出口“无源雷达设备”时，美国便向捷克施加压力，迫使捷克停止这项交易。

“出口管制是美国在与他国竞争过程中的一种手段，”杨杰向观察者网指出，考虑到中国正加大力度投资半导体，美国为了维持自身优势，正想法设法阻碍中国半导体产业的发展速度。

对于美国动不动就使用制裁大棒的做法，国外学者曾撰文抨击，如果美国想要保持其在电子行业的世界领导者地位，可以加大力度投资未来的技术知识，进而与中国相匹敌。那么，美国为什么要走制裁路线呢？因为制裁更容易实施，建立一个重视知识的社会更困难。这是晚期资本主义的病态。

在公告中，BIS介绍了四项最新被管制技术的详细信息（观察者网有所补充）。

氧化镓（Gallium Oxide，Ga2O3）和金刚石（diamond）

BIS公告称，氧化镓和金刚石是可以在更恶劣条件下工作的半导体材料，能承受更高的电压或更高的温度，采用这些材料生产出来的设备具备更高的军事潜力。

按照材料性质划分，半导体衬底目前大致可划分为四代：

第一代以硅（Si）、锗（Ge），为代表，主要应用于低压、低频、低功率的部分功率器件、集成电路；

第二代以砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）等为代表，被广泛应用于光电子和微电子领域；

第三代以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）等宽禁带半导体为代表，在介电常数、导热率及工作温度等方面具有显著优势，目前已逐步应用在5G通信、新能源汽车、光伏等领域；

氧化镓、金刚石等被视为第四代半导体材料。

北京科技大学教授李成明曾介绍，氧化镓是一种新型超宽禁带半导体材料，与碳化硅、氮化镓相比，氧化镓的禁带宽度达到了4.9eV，高于碳化硅的3.25eV和氮化镓的3.4eV，确保了其抗辐照和抗高温能力，可以在高低温、强辐射等极端环境下保持稳定的性质；而其高击穿场强的特性则确保了制备的氧化镓器件可以在超高电压下使用，有利于提高载流子收集效率。

从市场调查公司富士经济2019年6月对宽禁带功率半导体元件的全球市场预测来看，2030年氧化镓功率元件的市场规模将会达到1542亿日元（约人民币92.8亿元），这个市场规模甚至超过氮化镓功率元件的规模（1085亿日元，约人民币65.1亿元）。

目前，针对氧化镓展开研究的各大企业、高校和研究所都对氧化镓的性能寄予厚望，但距离真正实际应用还需要解决很多关键的瓶颈问题。研发上遇到的障碍主要有两方面，一是大尺寸高质量单晶的制作，目前仅有日企研发出6英寸单晶，但还未实现批量供货。二是氧化镓材料大功率、高效率电子器件还处于实验室阶段的研发，在大规模实际应用方面还有欠缺。

中国科技部今年已将氧化镓列入“十四五重点研发计划”。而美国目前正从前沿军事技术布局的角度大力发展氧化镓材料。美国空军研究实验室、美国海军实验室和美国宇航局，积极寻求与美国高校和全球企业合作，开发耐更高电压、尺寸更小、更耐辐射的氧化镓功率器件。

需要指出的是，尽管在半导体衬底材料中有代际划分的说法，但并不能笼统地认为“后一代优于前一代”。第二代、第三代半导体并不能取代第一代半导体，而是根据不同材料的特性，在不同领域应用。

电子计算机辅助设计软件（Electronic Computer-Aided Design，ECAD）

ECAD是一类用于设计、分析、优化和验证集成电路或印刷电路板性能的软件工具。

BIS公告称，此次被纳入管制范围ECAD软件，是专门被用于开发具有全栅极场效应晶体管 (GAAFET) 结构集成电路的软件。

GAAFET晶体管结构是实现3nm及以下技术节点的关键。该技术使生产更快、更节能、更耐辐射的集成电路成为可能，可以用于推进许多商业和军事应用，包括国防和通信卫星。

今年6月，三星已使用GAAFET技术量产3nm制程芯片，尚未公布具体客户名单。而台积电已宣布，3nm制程仍将采用FinFET晶体管结构，最早到2nm制程时才会使用GAAFET结构。

曾有半导体行业媒体撰文指出，采用GAAFET晶体管结构制造的芯片，性能有望提升25%，功耗降低50%。而使用FinFET结构，性能和功耗的改善大致都在15%到20%的范围内。但两种技术的难度和成本应该并不相同。

元达律师事务所资深顾问詹凯向观察者网指出，用于开发GAAFET晶体管结构的ECAD软件将被美国添加到新的出口管制分类编号3D006下的商业管制清单（CCL）中。对于在NS列中带有“X”的国家/地区，出于国家安全 (NS) 和反恐 (AT) 的原因，这将需要出口许可证，包括中国也属于受限国家。

他认为，美国严格限制EDA领域是比较困难的，这将给当前已经面临严重不确定性的半导体产业带来巨大伤害。本次美国采取的临时禁令和之前判断一致，主要针对的是“3nm及以下”先进制程的ECAD，而不是全产品线和产业链均需要使用的EAD产品。从这个角度看，美方“小院高墙”的出口管制政策并没有改变。

目前，国内已涌现出华大九天、广立微、概伦电子、芯和半导体等多家EDA厂商。但被视为国产EDA龙头的华大九天去年曾在招股书中透露，该公司既有模拟电路设计及验证工具尚不支持16nm及以下先进工艺设计。

图源：华大九天招股书

压力增益燃烧技术（Pressure Gain Combustion，PGC）

BIS公告称，压力增益燃烧技术在陆地和航空航天领域具有广泛的应用潜力，涉及应用包括火箭和高超音速系统等。2020年，美国国家科学院曾把压力增益燃烧等技术列入先进燃气轮机十大优先研究领域。该技术利用多种物理现象，包括共振脉冲燃烧、定容燃烧和爆震，导致穿过燃烧器的有效压力上升，而消耗的燃烧量相同，有潜力把燃气涡轮发动机效率提高10%以上。不过，BIS目前尚无法确认任何正在生产中的发动机使用了这项技术，但已经有大量研究指向潜在生产。

根据BIS公告，对氧化镓、金刚石以及压力增益燃烧技术的出口管制将自今年8月15日生效，对ECAD软件的出口管制将在自今年8月15日起60天后生效。

杨杰告诉观察者网，这四项技术被美国纳入新的出口管制后，美国政府可能会设定新的许可证和要求。而BIS所提到的对美国国家安全造成严重影响，往往是对美国的军事优势存在一定威胁。未来也不排除美国把更多自身掌握一定优势的新技术和新物项纳入出口管制，从而加强对中国的打压。

他分析指出，美国的出口管制是针对不同的物项和不同的最终用户设置不同的管制要求。比如同一个半导体材料，如果向英国出口可能就不需要特别的许可证，但如果出口到中国，可能就需要特殊的许可证。甚至也有可能禁止对华出口，像一些被列入实体清单的中国企业，很可能就无法拿到许可证。

“对中国企业而言，如果未来美国在半导体领域加速与中国脱钩，中国企业一方面可能要加速去美化，也就是说在半导体领域里，要尽量减少对美国的依赖。另一方面也要注意，供应商中有没有受到美国制裁的企业，一旦与受到美国制裁的企业进行相关交易的话，可能自己也会受到美国制裁。”杨杰分析称。

对于美国频繁动用出口管制等手段打压中企，中国外交部早就表明过态度：美国动用国家力量，泛化国家安全，不断滥用出口管制等措施，对他国特定企业进行打压遏制，这是对自由贸易规则的严重破坏，对全球产业链供应链安全的严重威胁，也是对包括美国在内的各国人民福祉利益的严重损害。

尽管在目前的大环境下，美国继续出手打压中国相关产业的概率很大，但也有业内人士向观察者网指出，美国能够使用的手段其实比较有限，不可能像美商务部长雷蒙多所说的那样，轻易就能让某家企业“关门”。

首先，全球半导体产业离不开中国半导体产业的配合。荷兰光刻机巨头阿斯麦就曾直言，如果美国迫使该公司停止向中国大陆销售其主流光刻设备，全球半导体供应链将面临中断，美国企业也将成为受害者。当前，半导体制造业在东亚的聚集，不仅是美国产业的选择，也是全球化资源配置最高效的办法。

第二，美国政府试图重建本土半导体制造业，不见得符合全部美国资本的立场，甚至也不符合美国劳动者的立场。特朗普执政时期，试图施压让制造业回流美国，但他们很难说服普通人前往汽车制造业、钢铁业以及技术含量更高的半导体制造业就业。一是因为半导体制造需要高强度工作，二是人才培训不可能短期完成。

“美国的干扰会一直存在，但具体作用没有那么夸张。”前述业内人士认为，半导体对整个国民经济和工业发展起着至关重要的作用，中国半导体产业要做好长期艰苦奋斗的打算，不能急功近利。

“我认为半导体产业并不是人和人的竞争，甚至也不是企业之间的竞争，而是国家间的竞争。”他指出，国内政策对半导体产业的支持力度还远远没有到头，“比起当年对高铁、光伏等行业的支持，政策方面还有很多牌可以出，还有很多工作可以做，中国半导体未来还是充满希望的。”

本文系观察者网独家稿件，未经授权，不得转载。

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