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        爭議“芯?!保簢a芯片能繞開先進制程“彎道超車”嗎?

        2022-10-19 21:49 | 云南生活網

        經濟觀察網 記者 鄭晨燁 “美國管制新規草案出臺后,很多業外人士甚至部分業內人士都把Chiplet(芯粒)當救命稻草了。”10月17日,北京一家芯片企業的前端工程師李振在電話中告訴記者。

        他所提到的美國管制新規草案,是指10月7日,美國商務部產業安全局最新出臺的對華半導體出口限制措施,其中主要內容包括對18納米或以下的DRAM芯片、128層或以上的NAND閃存芯片和14納米或以下的邏輯芯片的出口,增加新的許可證要求并嚴格審查,限制美國人員在沒有許可證的情況下支持位于中國的某些半導體制造設施集成電路開發或生產的能力。

        面對美國“卡脖子”措施的不斷升級,通過Chiplet模式實現國產半導體產業的“彎道超車”開始逐步成為市場中的熱議話題,也在A股中催化出了Chiplet概念板塊,將這一陌生的名詞帶到了資本市場的投資者面前。

        “Chiplet模式,可以將多個采用低工藝制程的模塊,比如22nm工藝的模塊拼裝在一起,從而達到7nm工藝芯片的性能,使得廠商可以繞開先進制程工藝的限制。”李振表示。

        Chiplet是什么?

        1965年,英特爾創始人戈登·摩爾總結了一個趨勢,即集成電路上可以容納的晶體管數目在大約每經過18個月到24個月便會增加一倍,性能也將提升一倍,同時其價格也會降低為原來的一半。

        這一原本是摩爾等業內人士的經驗之談,在經過歸納后便逐漸成了影響半導體行業發展至今的摩爾定律。

        “摩爾定律并非自然規律,應該被視為對集成電路性能發展的觀測或預測。過去半個多世紀以來,半導體行業大致按照摩爾定律發展。”灼識咨詢合伙人趙曉馬向記者解釋。

        但眼下,隨著芯片制造工藝的不斷發展,按照摩爾定律提高晶體管密度以提升芯片性能的方法,也逐漸遇到了瓶頸。

        “單個芯片上集成的晶體管數量從幾千個增加到十幾億個,受制于芯片尺寸的物理極限、光刻技術、隧道效應、功耗和散熱、供電能力等問題,制造工藝從5nm升級到3nm再到2nm,其間隔都超過了2年時間。”趙曉馬進一步指出,

        面臨摩爾定律發展趨緩,開發先進制程的成本及研發難度不斷提升的現狀,半導體行業開始拓展新的技術路線試圖延續摩爾定律,而如今被視為“救命稻草”的Chiplet概念也由此提出。

        趙曉馬告訴記者,在后摩爾時代,新集成、新材料、新架構成為行業創新的焦點。而在新集成中,就包括Chiplet和先進封裝,Chiplet由于其高性能、低功耗、高面積使用率以及低成本受到廣泛關注,在FPGA(可編程器件)、GPU(圖形處理器)等高性能計算市場具備很高潛力。

        “Chiplet,本質上是一個設計理念,它將不同工藝、不同功能的模塊化芯片,通過封裝和互聯等方式,像拼接樂高積木一樣用封裝技術整合在一起,形成一顆芯片。簡單來說,Chiplet是小芯片或者說芯粒在封裝層面整合的解決方案。”上??究萍籍a品副總裁王曉陽在接受經濟觀察網記者采訪時表示。

        趙曉馬認為,Chiplet最大的特點就是從系統的角度來延續“摩爾定律”的經濟效益,器件將以多種方式集成,系統空間內的功能密度將持續增長。

        “首先,Chiplet可提供較大的性能功耗優化空間,支持面向特定領域的靈活定制。其次,有效提升信號傳輸質量和帶寬。第三,利用小芯片(具有相對低的面積開銷)低工藝和高良率的特性,可以有效降低成本。第四,可以有效縮短芯片的研發周期及節省研發投入,并降低研制風險。”趙曉馬補充說。

        在王曉陽眼中,Chiplet作為一條跨越摩爾定律的技術路徑,對產業鏈上IP(可復用設計模塊)公司、先進封裝公司、晶圓公司來說,不亞于是一次革命性的改變。

        “以前的SoC(系統級芯片)設計方法學中IP已經設計成可以復用的,但是形成SoC原型設計以后該走的軟硬件協同驗證、后端與物理設計、流片制造的流程一個也少不了。”王曉陽告訴記者。

        “如果是Chiplet的話,只需要直接做一次封裝加工就可以用起來,其復用程度遠超過現在的IP。”他進一步解釋。

        Chiplet模式所具有的諸多優勢,讓各類芯片廠商紛紛加快自身在這一領域的技術布局。

        就在今年3月,包括英特爾、AMD、臺積電在內的10家集成電路領域的頭部廠商發起成立了UCIe產業聯盟 (Universal Chiplet Interconnect Express) ,旨在進一步加速Chiplet生態的發展,制定行業間的互聯標準,其中也包括多家中國大陸半導體公司,例如芯原股份、芯和半導體、長電科技、燦芯半導體等。

        據市場研究機構Omdia測算,2021年全球Chiplet市場規模已達到18.5億美元,預計未來五年仍將以46%的年均復合增長率高速增長,到2035年全球Chiplet市場規?;驅⒊^570億美元。

        國產IP設計產業受益

        “目前在布局Chiplet領域的A股上市公司有兩類,分別是IP設計公司、先進封裝與封測設備公司。其中,IP設計領域的代表公司是芯原股份(688521.SH),封裝領域的代表公司有通富微電(002156.SZ)及長電科技(600584.SH)。”滬上一家大型券商的電子首席分析師王泓告訴經濟觀察網記者。

        記者了解到,Chiplet本質上是一種異構集成,即將不同制程、不同性質的芯片整合在一起,由此也給芯片產品帶來了三大挑戰,分別是:芯片帶寬不一致導致的信號傳輸不穩定、Chiplet互連不直接導致的功耗不平衡、Chiplet的堆疊導致的散熱問題。

        “先進封裝是解決Chiplet異構集成的關鍵方式,目前行業內主要的先進封裝工藝有倒裝封裝、晶圓級封裝、2.5D/3D封裝以及系統級封裝等,尤其后三者是行業焦點。“趙曉馬指出。

        作為封測領域領軍企業的通富微電在今年的半年報中,曾披露表示:“公司通過在多芯片組件、集成扇出封裝(晶圓級封裝的一種形式)、2.5D/3D 等先進封裝技術方面的提前布局,可為客戶提供多樣化的 Chiplet封裝解決方案,并且已為AMD大規模量產 Chiplet 產品。”

        長電科技也在9月25日于上證e互動回復投資者稱:“得益于集團全資子公司星科金朋在Chiplet 相關技術領域積累的長期量產經驗和大量專利,公司目前擁有用于Chiplet封裝的超大尺寸FCBGA(倒裝芯片封裝)封裝技術能力,多層芯片超薄堆疊及互聯技術能力,與極高密度多維扇出型(一種降低尺寸與成本的封裝工藝)異構集成技術能力,正在持續推進該技術的生產應用和客戶產品的導入。”

        而在早前4月份的一場網絡調研中,長電科技方面就曾表示,公司2021年先進封裝包括除打線與測試外的其他封裝形式,收入占比已達60%以上。

        不過,從上述兩家公司的財務表現看,先進封裝的應用,尚未改變其營收規模較小、盈利能力較弱的現狀。

        根據長電科技2022年半年報披露,2022年1月份至6月份,長電科技實現營業收入155.94億元,同比增長12.85%;實現扣非凈利潤僅14.09億元,同比增長50.14%,這一數據相比去年同期217.62%的增速水平已是大幅放緩。

        而通富微電的情況則更不樂觀,該公司今年上半年實現營業收入95.67億元,同比增長34.95%;實現扣非凈利潤僅3.65億元,同比下降14.23%。

        對于盈利水平的下降,通富微電在半年報中歸結于“受匯率波動影響”。

        “由于技術含量較低,對于封測行業,盈利能力較弱一直是個繞不開的話題,但從長期來看,先進封裝有望改變這一現狀,隨著Chiplet技術的持續落地,先進封裝有望給行業內公司提供充足成長動能。”王泓告訴記者。

        此外,王泓指出,相較于封測領域,國產IP設計產業在Chiplet的快速發展中受益會更多。

        所謂芯片IP,即指芯片中預先設計、驗證好的功能模塊,這些模塊在芯片設計過程中可被反復使用,因此,業內也有觀點將Chiplet技術稱為不同芯片IP間的組合。

        “打個形象地比喻,芯片設計公司需要做滿漢全席,而IP就可以看成是一道菜的菜譜,告訴他這道菜該怎么做,而Chiplet則可以看成是這道菜的預制菜,芯片設計公司僅需要簡單加熱即可上桌。”王曉陽告訴記者。

        “比如我們是做高速互聯的IP,可以提供給芯片設計公司,我們既可以銷售IP的方式(菜譜),也可以把IP做成Chiplet產品硬件化(預制菜),提供給客戶。”他進一步向記者解釋說。

        趙曉馬指出,傳統單片系統設計方式是從不同的IP供應商處購買IP,結合自研模塊集成,而在Chiplet模式下只需要購買供應商生產好的Chiplet小芯片,將其封裝形成系統芯片即可。

        “Chiplet是新的硅片級IP重用模式,在工藝選擇、架構設計上都具有靈活性,優化了IP硬核(已成型的功能模塊)無法修改導致的復用困難和使用范圍較窄的問題。”他分析稱。

        王曉陽告訴經濟觀察網記者,其所在公司的IP產品已經成功在一些知名廠商的7納米以上工藝節點得到驗證并實現量產,目前產品已能涵蓋從12nm到180nm的基礎庫IP,7nm到110nm的接口類IP,以及模擬IP和定制服務。

        “目前我們的研發團隊﹐正在集中力量自主研發14/12納米及以下的先進工藝IP。”王曉陽進一步補充說。

        李振則告訴記者,目前數據中心、汽車電子及電腦處理器三大領域是Chiplet技術的主流應用方向。

        “Chiplet的車規級產品落地較快,國產的GPU(圖形處理器)、NPU(神經處理單元)、ISP(圖像信號處理器)等IP產品已經被廣泛應用于車載系統當中,比如輔助駕駛模塊,車載大屏等等。”李振說,

        王曉陽亦表示,隨著汽車產業智能化和網聯化程度的不斷提高,汽車自動駕駛和智能座艙采用了復雜的SOC芯片,計算/感知/執行都需要更快的數據傳輸能力給予支撐,而Chiplet可以大幅簡化汽車芯片迭代時的設計工作和車規流程,同時增加汽車芯片的可靠性。

        國產IP行業的龍頭芯原股份在2022年的半年報中分析稱:“在汽車‘缺芯’潮的背景下,大眾、福特、通用、北汽、比亞迪等傳統汽車制造企業和特斯拉、小鵬、蔚來、理想、零跑等新能源汽車廠商紛紛表示將要自主設計汽車芯片,這種趨勢為集成電路設計產業中半導體 IP 和芯片設計服務的發展擴展了市場空間。”

        根據行業研究機構Statista的數據顯示,2020 年全球汽車電子市場規模約為2180億美元,到2028年有望達到4000多億美元,增長逾80%,年復合增長8%左右。

        但值得注意的是,目前在IP設計領域也依舊存在“卡脖子”的現象。

        “目前全球主要的IP供應商來自英美,尤其是在高速互聯IP,高端CPU、GPU等核心IP領域,國際大廠已經形成了較高的技術壁壘。國內IP企業雖然正在向國際領先IP廠商全面追趕,但行業整體底子還較為薄弱。”王曉陽告訴記者。

        他指出,目前在IP領域的國產化率還比較低,在高速接口IP,高端GPU/CPU IP領域的國產化進程仍處于起步階段。海外芯片巨頭在Chiplet領域也較為領先。

        在他看來,近幾年國內芯片設計的水平進步十分顯著,但更多還局限在“如何把芯片設計完成并落地”。

        “IP設計屬于產業鏈上游,所要解決的是工程問題而不是科學問題,而工程問題需要產業鏈上下游進行磨合,需要客戶幫助發現、解決問題,以進行迭代。所以,國產IP只要有機會去不斷嘗試、突破,是非常有機會趕超的。”王曉陽進一步補充說,

        繞不開的先進制程

        10月7日,美國商務部產業安全局(BIS)再度出臺了對華半導體出口限制措施,旨在進一步限制國內獲得先進計算芯片、開發和維護超級計算機以及制造先進半導體的能力。

        在美國商務部產業安全局官網上,經濟觀察網記者梳理了這份管制新規的主要內容,其中,BIS表示,將對目的地為中國的半導體制造設施且能制造符合特定標準的集成電路之物項,增加新的許可證要求,許可證的相關閾值如下:非平面晶體管結構16nm或14nm或以下(即FinFET或GAAFET)的邏輯芯片半間距18nm或以下的DRAM存儲芯片;128層或以上的NAND閃存芯片。

        此外,記者還注意到有一項條款,將限制美國人員在沒有許可證的情況下支持位于中國的某些半導體制造設施集成電路開發或生產的能力。

        “其實在10月以前,圈內就陸續有美國要加碼制裁的傳聞了,但是在真的看到條款內容時,我還是很驚訝,這是一次全方位的封殺,我們學校一些學弟都跑來咨詢我情況怎么樣,要不要轉專業。”李振在電話中告訴記者。

        而在美國持續加碼限制中國半導體產業的背景下,通過Chiplet技術能繞開先進制程限制的觀點開始風靡于市場中。

        “這種觀點大致意思是,將多個采用低工藝制程的模塊,比如22nm工藝的模塊拼裝在一起,從而達到7nm工藝芯片的性能。”李振說。

        在李振看來,這樣的做法邏輯上確實可行,也已有部分廠商采取了此類方案,但該方案在經濟效益上卻存在一定問題。

        “這種方案只能說應急,但絕不是正道,用低工藝攢出來的產品,只能說接近先進制程芯片的部分性能,不可能完全達到同等性能,還會帶來成本的上升。”他說,

        王泓亦向記者表示,這種“曲線救芯”的方式,本質上是通過偏封裝層面的技術實現,但底層制造工藝才是決定芯片性能上限的核心要素。

        “光靠Chiplet沒辦法超車,而且在Chiplet領域我們也不領先,你可以通過幾個14納米模塊的聯系把性能往上提一提,但在同等面積下,肯定是比不過7nm的,先進制程是繞不開的,所以美國現在完全不讓你買先進制程的產品,確實給產業帶來不小的麻煩。“王泓說。

        他認為,中國大陸的半導體行業,通過Chiplet實現彎道超車,繞開先進制程的說法,更像是一種情緒的釋放,“最近的市場太需要一些好消息了。”

        趙曉馬也告訴記者,Chiplet模式的出現背后是摩爾定律越來越接近極限,在這樣的背景下,半導體的技術進步比原來更難也更慢了,這本身對于國內半導體產業的追趕是一個好消息。而Chiplet這個技術通過先進封裝來實現,不需要光刻機,這對于企業而言也是好消息。

        “除了好消息外,我們也要看到,目前Chiplet這塊的競爭者是原來的頂級晶圓廠,臺積電、三星和英特爾,他們也各自有核心技術的積累,例如臺積電的Hybrid Bonding技術,難度極高。”趙曉馬向經濟觀察網記者表示。

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