基于 Chiplet 的架构在物联网设备中的应用日益广泛。半导体芯片 OEM/ODM 正在采用基于 Chiplet 的架构

概述

在充满活力的半导体行业中，目前趋势是逐渐从传统的单片芯片架构转向更模块化、基于芯片的设计。这种转变不仅仅涉及生产方法的改变。它标志着电子行业在构想、创造和分配为当代地球提供动力的电子部件的方式上取得了重大进步。在后摩尔定律时代，基于芯片的架构正在成为创新的催化剂，并成为维持计算性能指数级增长的一种可能方式。

每台物联网 (IoT) 设备都需要一组不同的功能，例如内存、计算能力、传感器技术和连接；因此，使用传统的半导体片上系统 (SoC) 开发周期来开发这些功能成本太高且耗时。因此，许多创意产品从未面世。不过，单片芯片确实有另一种选择，即硅芯片，它可以以非常低的成本生产，并能够使用模块化构建块快速开发定制功能。尽管芯片存在独特的技术和商业困难，但半导体行业无疑正在接受这一想法并创造解决方案来推进芯片架构。

最近，基于小芯片的解决方案已成为一种有前途的技术，可在英特尔、AMD、博通和亚马逊等多家知名行业半导体供应商和云提供商中延续摩尔定律。多种因素促成了它们的惊人增长，包括避免使用极大的芯片尺寸以提高产量、通过混搭技术实现产品多样化以节省成本和重复使用，以及鼓励异构集成，即集成来自不同工艺节点的小芯片以优化功能、成本和性能。

图 1：整个半导体价值链中的芯片组集成

来源：DBMR 分析

影响 Chiplet 采用的因素

• 复杂性和专业化： 从大数据分析和人工智能 (AI) 到高性能计算和物联网 (IoT)，每个行业对日益复杂和专业的处理能力的需求都在激增。为了满足这一需求，小芯片架构结合了针对特定任务优化的专用处理单元，从而创建了更强大、更节能的系统
• 摩尔定律及其缺点：芯片晶体管数量大约每两年翻一番，从而带来持续的性能提升，这一发现长期以来一直是该行业的指南针。然而，由于技术和财务障碍，扩展速度减慢，迫使企业寻找其他扩展方式。作为仅依靠摩尔定律通过架构突破来保持性能改进的替代方案，小芯片技术提供了一种有吸引力的方法
• 制造流程和供应链的灵活性： 国际半导体供应链越来越容易受到疫情、贸易争端和地缘政治冲突等不可预见事件的影响。小芯片架构提供了更具适应性和更强大的生产流程，有助于缓解其中一些担忧。制造商可以通过从不同来源和地区生产和采购小芯片来减轻局部中断的影响，确保更稳定地供应基本组件。

Chiplet 架构与集成过程中面临的挑战

• 测试和可靠性： 当涉及到确保基于芯片的系统运行可靠时，测试变得更加复杂。为了保证最终完成的芯片封装在任何条件下都能按预期运行，每个芯片及其互连都必须经过大量测试，以满足质量和可靠性标准
• 设计和集成： 尽管小芯片具有巨大的潜力，但仍有许多设计和集成问题需要解决。需要复杂的连接技术和流程来将不同的组件组合在一起以形成一个连贯的系统。为了使小芯片能够高效交互并尽可能接近单片芯片的性能，这些互连需要具有高带宽和低延迟
• 生态系统和标准的发展： 随着小芯片技术的广泛应用，需要建立一个包含设计、通信和集成通用标准的强大生态系统。这些标准的建立对于确保来自不同制造商的小芯片能够一致地相互通信至关重要。这将通过利用规模经济来促进创新并降低成本

Chiplet 技术的优势

将基于小芯片的架构与传统的单片系统级芯片 (SoC) 进行比较，可以明显看出其具有多项优势。这些优势包括功能增强、功耗降低和设计自由度增加。随着尖端技术的不断进步，一些专家预测专用小芯片将成为消费电子产品中的常见元素。

• 它们能够轻松定制和升级，从而缩短开发时间并降低成本。
• 芯片利用针对特定任务优化的独特处理组件来提高性能
• 小芯片技术以其灵活性而闻名，这使生产商能够快速适应不断变化的市场条件和新技术发展
• 由于计算机芯片之间的横向数据流占其功耗的一半以上，因此用小芯片构建电路也对环境产生了很大的积极影响
• 芯片通过将各种功能组合到一个单元中，大大减少了传统芯片设计中对复杂布线、冷却系统和辅助组件的要求

尽管传统芯片组目前控制着电子设备中的大部分计算机技术，但很明显，这种趋势在未来即将发生变化。随着尖端技术的进步，专家预测专用芯片将得到广泛应用。

异构芯片集成目前是一个快速扩张的市场。AMD 和英特尔都在大量生产包括异构集成封装技术和芯片设计的微处理器。苹果的 M1 Ultra 芯片于 2022 年 3 月发布。这款芯片采用了芯片架构，可提高 Mac PC 的性能。我们仍处于芯片开发和制造的早期阶段。但随着行业标准的巩固，迄今为止无法想象的计算模型将会出现。

全球片上系统 (SoC) 市场经历了大幅增长，这得益于智能设备、自动驾驶汽车、便携式医疗设备等多种应用对 SoC 的需求不断增长。此外，不同政府机构对建立制造和生产设施的投资不断增加，也为预测期内的增长提供了补充。根据 Data Bridge Market Research 的分析，全球片上系统 (SoC) 市场预计将在 2022 年至 2029 年期间以 8.55% 的复合年增长率 (CAGR) 增长。

要了解有关该研究的更多信息，请访问：https://www.databridgemarketresearch.com/zh/reports/global-system-on-chip-soc-market

物联网 (IoT) 市场的若干机遇与挑战

图 1：芯片组在不同物联网设备中的应用

来源：DBMR 分析

为了达到尖端性能，半导体投资一直集中在设备小型化上；然而，这并不是物联网设备的最佳方法。作为全球数字化转型的一部分，人们预计物联网 (IoT) 将随着 5G 和云计算的引入而彻底改变各种规模的企业。至少在未来几年，预计全球在物联网上的支出将以两位数的速度增长。

物联网影响着社会的方方面面，包括企业、政府和消费者。制造业、交通运输和公用事业等行业正在大力投资这项新技术。此外，消费者将推动对智能设备的需求，以便随时了解家庭和健康状况。

随着越来越多独特的用例出现，物联网用例数量的增长为提供底层硅基组件的半导体制造商以及寻求提供尖端解决方案的 OEM 提供了巨大的潜力。但要使这些新用例成为可能并进一步推动市场发展，物联网设备（尤其是为其智能提供动力的硅芯片）的价格必须下降。过去 50 年来，半导体投资的目标一直是提高高性能应用中使用的单个单片芯片的集成电路性能。因此，半导体芯片内每个晶体管的尺寸一直在不断减小。

半导体供应链中的企业已重新投资于更老、更成熟的物联网节点，但这种策略不太可能持续下去。为了应对物联网市场，半导体制造商进行了第二波投资，采用相同的单片系统芯片 (SoC) 技术，重新使用以前已建立的节点尺寸，用于混合信号物联网应用。事实证明，即使引入了更新、更小的工艺节点，对更大节点尺寸的晶圆的需求仍然很大。半导体公司正投入数百万美元来应对将模拟功能从 55 nm 和 40 nm 迁移到 22 nm 这一巨大挑战。随着几何尺寸变小，迁移过程变得更加困难和昂贵。

有迹象表明，物联网行业预计将在未来十年内为科技公司带来显著增长，芯片制造商将致力于构建产品组合，使其能够满足不同行业的广泛潜在用途。然而，鉴于现有的单片架构在多个方面都存在问题，由于物联网用例的多样性，以适当的价格实现这一目标将极具挑战性。

近年来，由于 5G 基础设施的快速发展，全球物联网 (IoT) 解决方案市场正在经历大幅增长。此外，智能城市计划的兴起、云采用率的提高以及更多联网设备的使用，在预测期内促进了整个物联网市场的增长。根据 Data Bridge Market Research 的分析，全球物联网 (IoT) 解决方案市场预计将在 2022 年至 2029 年期间以 29.30% 的复合年增长率 (CAGR) 增长。

要了解有关该研究的更多信息，请访问：https://www.databridgemarketresearch.com/zh/reports/global-iot-solutions-market

小芯片有助于消除物联网的进入壁垒

单片处理器并非总是构建混合信号物联网设备的最佳方式。使用芯片组架构是一种替代方法，它允许在单个基板或单个封装中使用多个芯片组，每个芯片组具有不同的工艺节点大小。与 SoC 方法相比，这些类型的架构为物联网产品开发人员提供了许多优势，包括更少的投资和生产成本以及更低的专业化成本。除此之外，其他好处还包括更短的上市时间、更低的 OEM 供应风险和更简单的架构分区。

• 降低投资和专业化成本： 为芯片系列创建新的目标工艺节点通常需要大量的财务支出以及精心规划，以确保可观的投资回报 (ROI)。所选的工艺节点以及芯片的大小和复杂性主要决定了初始投资。基于小芯片的架构使用更成熟的节点大小的功能块，而不是将它们构建到更新、更小的节点上，因此开发相同功能所需的资金要少得多。

OEM 只需创建其应用所需的专用芯片，并将其与市售的芯片集成以实现标准功能，芯片策略还可以降低任何给定最终产品的设计成本。

• 更快的入口点： Chiplet 通过两种方式加快了新产品的上市时间，这是一项重大的商业利益：

更快的原型设计：OEM 和半导体公司可以混合搭配不同的硅块（包括定制芯片），以创建试用产品进行快速市场测试，而不需要投入大量资金开发新的单片芯片并确保所有块在所选节点大小上正常工作

更简单的升级：无需完全重新设计芯片，即可向芯片添加新功能，可以从第三方知识产权 (IP) 的“硅片库”中选择功能块，从而节省测试和验证时间。

如果某些功能比其他功能发展得更快，那么这将特别有用，就像现在的 ML 芯片的情况一样。

• 降低 OEM 的生产成本并最大程度降低供应风险： 一旦芯片的设计和性能得到验证，就可以将其送往工厂进行大规模生产。小芯片策略可以降低芯片的单位生产成本，从而降低成品成本，以及转移成本和时间。小芯片拓扑使用更大的工艺节点来处理模拟组件，从而减少设计修改次数、提高产量并简化制造程序。

通过允许 OEM 从多个供应商（而不是一个供应商）采购功能块，小芯片设计有助于降低供应风险。

采用Chiplet将在未来展现出光明的未来

低成本物联网应用种类日益丰富，推动了小芯片方法的发展。小芯片的适应性、快速上市时间以及较低的开发和制造成本表明，它们有潜力推动下一波创新、经济实惠的物联网解决方案。借助这些设计，原始设备制造商 (OEM) 可以毫不费力地将尖端的数字和模拟功能集成到其最终产品中，从而提供更大的设计灵活性和最佳性能。使用混合搭配策略还可以降低这些产品的开发成本，因为可以将特殊功能创建为小芯片，然后与市售的小芯片配对。开发和过渡到制造的简化流程也显著缩短了上市时间。

半导体企业也可以从这项技术中受益。借助小芯片，半导体企业将能够保持其产品组合规模更小、降低开发成本和时间，并为更广泛的应用提供更优化的产品。半导体行业在封装和互连方面不断取得进展以促进这些用例，证明了这种愿望。集成技术将继续发展，以支持各种物联网设备，从极其复杂的支持 ML 的自动驾驶汽车传感器（性能至关重要）到更实惠的消费者智能标签。

结论

小芯片是传统单片芯片技术的一大突破，它将为大量创新、廉价的物联网设备打开大门，而这些设备以前是无法想象的。OEM 和半导体企业都将从中受益。

Chiplet 技术有可能彻底改变众多行业，例如需要模块化和可扩展系统的太空探索、5G 网络的电信以及高级驾驶辅助系统 (ADAS) 的汽车电子。

随着传统的微缩技术对半导体行业构成挑战，基于小芯片的设计正成为一种有力的替代方案，有望推动下一代技术的发展。小芯片具有无与伦比的灵活性、低成本以及定制功能以满足个性化需求的能力，标志着与传统电子设计方法的重大区别。随着我们接近这一新现实，行业设计师和工程师采用和开发小芯片技术的技能和意愿对于确定电子产品的发展方向至关重要。