Chiplet技术的发展与现状

逍遥设计自动化

引言
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- p  |9 f* `- i; ^半导体行业正经历显著变革，Chiplet设计方案的应用范围不断扩大。有趣的是，60年前Gordon Moore在其著名论文《Cramming More Components onto Integrated Circuits》中就预见了这一发展趋势。Moore不仅提出了著名的晶体管密度增长定律，还指出将大型系统分解为较小的、相互连接的功能模块可能在经济上更有优势。这一观点在当今半导体领域变得越发重要。
; Z5 P& H  c! P3 O5 C  @+ C经济与技术驱动因素
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" v/ ]% x# z2 {/ t2 |Chiplet技术的采用主要受经济因素和技术限制推动。现代半导体制造面临重大挑战，EUV光刻机的价格已超过1亿美元。业界目前的芯片尺寸实际上限制在约800平方毫米，这对构建更大规模系统形成了显著约束。这种限制加上先进制程制造成本的上升，使Chiplet设计方案成为极具吸引力的选择。
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图1：AMD/Xilinx基于Chiplet的产品发展历程，反映了高性能计算中多芯片实现方案的演进。

支持采用Chiplet方案的另一个重要经济因素是不同电路组件的制程工艺进展不均衡。虽然逻辑电路持续受益于制程节点的推进，但SRAM和模拟电路的制程提升速度较慢。这种差异导致在先进制程中实现这些组件的成本大幅增加。
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/ ^8 r; Z7 K7 m* a, H' q3 j, U图2：SRAM与逻辑电路制程工艺的发展差异，红线表示理想的同步制程提升，黑线表示实际情况。
高性能应用与市场增长

Chiplet方案在高性能计算领域取得了显著成功，特别是在人工智能系统中。高带宽内存（HBM）已成为关键组件，目前售价约为DDR5内存的6倍，且到2025年的产能已全部售罄。NVIDIA、Intel和AMD等主要厂商在其高端产品中广泛采用Chiplet设计，这些产品多数定价在1万美元以上。

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图3：到2030年Chiplet收入预测增长趋势，表明市场具有强劲扩张潜力。
) V* q  m# H) a& N) Y先进散热方案与系统集成

5 `8 f( W1 b  o' V0 Y0 }- G% ?现代Chiplet系统的功耗需求不断增加，单个芯片功耗可超过400瓦，需要采用先进的散热管理方案。业界正从传统风冷转向液冷系统，提高计算密度和性能。
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8 Z( p2 C1 U5 G' S( _' y' i图4：对比了风冷（32个GPU）和水冷（72个GPU）系统，展示了先进散热方案带来的性能提升。
: r' D5 b9 X; z0 x; D) L6 BChiplet设计的未来发展
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半导体行业正向更标准化的Chiplet实现方案发展。"Chiplet底盘"概念作为潜在的后端服务出现，为各类应用创建标准化接口。这种方法使小型企业能够专注于特定组件的开发，同时利用标准化接口和封装方案。

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! M5 J4 x% z4 I- e6 X图5：技术选择决策流程图，展示了在Chiplet底盘和定制方案之间进行系统化选择的方法。

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( ^4 i' O; r- Y8 |7 [$ j图6：晶圆级互连基板与Chiplet和substrate assembly的集成示意图，展示了未来系统计算密度提升的可能性。

1 ]$ w2 X! i# e: G  T优化空间仍然很大，特别是在供电电压降低方面。虽然部分设计已实现0.6V运行，但大多数高性能应用仍在1V左右运行，这对千瓦级器件的大电流管理带来挑战。
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随着技术日趋成熟，业界对标准化工作的兴趣增加，如Arm的Chiplet系统架构旨在加速生态系统发展。预计Chiplet技术将从高性能应用扩展到更广泛的市场领域，实现新的应用和设计方法。
参考文献

0 D( |9 Z, k, _2 r3 o2 A  a9 D, t& o[1] B. Pangrle, "Chiplets: Where Are We Today?," Semiconductor Engineering, Feb. 5, 2025. [Online]. Available: https://semiengineering.com/chiplets-where-are-we-today/ [Accessed: Feb. 6, 2025]
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