深度：小芯片时代来了！

作者：王韵壹、李英、熊慧卿

芯东西（ID：aichip001）

文 | 心缘

10nm、7nm、5nm ……随着芯片制程节点越来越先进，研发生产成本持续走高，而良率日益下降，物理瓶颈正拖累摩尔定律的脚步。

像搭乐高积木一样的小芯片（Chiplet）正成为AMD、英特尔、台积电、Marvell、Cadence 等芯片巨头为摩尔定律续命的共同选择之一。

以前芯片由多个 IP 核心集成后统一封装成单片芯片，而小芯片方法可将来自不同公司设计和封装的小芯片组合在一起，从而构建更为高效和经济的芯片系统。

这种新型设计方法不仅能大大简化芯片设计复杂度，还能有效降低设计和生产成本。

知名市场研究机构 Omdia 预测，小芯片将在 2024 年全球市场规模扩大到58亿美元，较 2018 年的 6.45 亿美元增长9倍。而长远来看，2035 年小芯片市场规模有望增至570亿美元。

▲ 2018-2024 年全球小芯片市场收入（来源：Omdia）

围绕小芯片的新战事，正在将芯片性能进化引向更具经济效益的未来。

一、续命摩尔定律！小芯片时代来了

55 年前，被推崇为芯片界 " 圣经 " 的摩尔定律预言：当价格不变时，集成电路上可容纳的晶体管数量每隔 18-24 个月会增加一倍，性能也随之提升一倍。

当年摩尔定律的出现设定了极为关键的技术发展节奏基准，催化了科技市场欣欣向荣，为整个 IT 行业带来了难以估量的经济价值。

使用先进节点的好处很多，晶体管密度更大、占用空间更少、性能更高、功率更低，但挑战也越来越难以克服。

极小尺寸下，芯片物理瓶颈越来越难以克服。尤其在近几年，先进节点走向 10nm、7nm、5nm，问题就不再只是物理障碍了，节点越进化，微缩成本越高，能扛住经济负担的设计公司越来越少。

▲随着制程节点进化，芯片成本快速增长

根据公开报道，28nm 节点设计成本约为 5000 万美元，而到 5nm 节点，设计总成本已经飙高到逾 5 亿美元，相当于逾 35 亿人民币。

而守住摩尔定律，关乎利润最大化，如果研发和生产成本降不下来，那么对于芯片巨头和初创公司来说都将是糟糕的经济负担。

幸运的是，每当摩尔定律被唱衰将走到尽头，总会激发出科学家和工程师们创新构想，提出力挽狂澜的突破性技术，将看似走向终结的摩尔定律一再推向远方。

基于小芯片的模块化设计，正是其中解决成本问题的一个极为关键的构想。

二、小芯片的三大价值：开发快、成本低、功能多

当前芯片设计模式常从不同 IP 供应商购买软核 IP 或硬核 IP，再结合自研模块集合成一个片上系统（SoC），然后以某个制造工艺节点生产出芯片。

而小芯片通过先进封装技术，能将多种不同架构、不同工艺节点、甚至来自不同代工厂的专用硅块或 IP 块集成在一起，可以跳过流片，快速定制出一个能满足多种功能需求的超级芯片产品。

▲由中介层上多个小芯片组成的小芯片系统（来源：Cadence）

相比单片芯片，小芯片带来的好处是多重的。

首先，小芯片开发速度更快。

在服务器等计算系统中，电源和性能由 CPU 核心和缓存支配。通过将内存与 I/O 接口组合到一个单片 I/O 芯片上，可减少内存与 I/O 间的瓶颈延迟，进而帮助提高性能。

其次，小芯片的研发成本更低。

因为小芯片是由不同的芯片模块组合而成，设计者可在特定设计部分选用最先进的技术，在其他部分选用更成熟、廉价的技术，从而节省整体成本。

例如，AMD 第二代 EPYC 服务器处理器 Ryzen 采用小芯片设计，将更先进的台积电 7nm 工艺制造的 CPU 模块与更成熟的格罗方德 12/14nm 工艺制造的 I/O 模块组合，7nm 可满足高算力的需求，12/14nm 则降低了制造成本。

这带来的好处是，7nm 制程部分的芯片面积大幅缩减，而采用更成熟制程的 I/O 模块有助于整体良率的提升，进一步降低晶圆代工成本。综合来看，CPU 核心越多，小芯片组合的成本优势越明显。

最后，小芯片能灵活满足不同功能需求。

一方面，小芯片方案具备良好的可扩展性。例如构建了一个基本 die 后，可能只用一个 die 可应用于笔记本电脑，两个可应用于台式机，四个可应用于服务器。

另一方面，小芯片可以充当异构处理器，将 GPU、安全引擎、AI 加速器、物联网控制器等不同处理元素按任意数量组合在一起，为各类应用需求提供更丰富的加速选择。