隨著近兩年人工智能的快速崛起以及數碼經濟的高速發展，市場對於高算力芯片的需求愈發迫切。
然而與此同時，衡量半導體產業技術進步的標尺 —— 摩爾定律的節奏卻明顯放緩。一方面，半導體制程工藝已經接近物理極限，先進工藝的投入產出比難以具備商業合理性；另一方面受制於光刻尺寸以及晶圓廠良率，單芯片的面積難以無限擴大。
在當今的後摩爾時代，面對算力需求的指數級增長，業界開始從其他維度探索提升芯片算力的新方法。其中， Chiplet（芯粒）技術 再次被業界提上日程。
作為國內一家專註於 Chiplet 技術開發的公司，北極雄芯資訊科技（西安）有限公司（簡稱北極雄芯）自主研發的一款異構整合 AI 智能處理芯片已經率先完成了全國產 Chiplet 封裝供應鏈的工藝驗證。
「區別於傳統單芯片設計模式，Chiplet 透過將‘大芯片拆分為小芯粒’進行生產並整合封裝，可有效提升大面積芯片制造的綜合良率，同時還可透過 Chiplet 復用帶來更為靈活的搭配組合，可以說基於 Chiplet 整合的設計理念是後摩爾時代半導體產業的一個重要演進方向。」北極雄芯創始人馬愷聲教授告訴「問芯」。
圖｜北極雄芯創始人、首席科學家馬愷聲（來源：受訪者）
馬愷聲於 2018 年在美國賓夕法尼亞州立大學取得電腦科學與工程博士學位，同年經姚期智院士招募回國並任職於清華大學，目前他是清華大學交叉資訊研究院、人工智能學院的助理教授，博士生導師。
談及創立北極雄芯的初衷，馬愷聲表示，主要是想基於國內尚有差距的供應鏈、工藝等做出高性價比的系統。「當時我剛進入清華大學交叉資訊研究院，成為其中除量子芯片外主攻套用芯片研發的‘第一人’，負責提供底層硬件支持。面對這項任務，如何才能夠更快速、低成本的開發芯片，同時還能滿足 AI+ 各行各業的需求，成了我長期思考的問題。」他說道。
後來，隨著摩爾定律逐漸失效，他開始把目光聚焦到 Chiplet 技術。
據介紹，Chiplet 也稱「芯粒」，其透過把一整顆 SoC 的功能模組進行解耦，分別設計制造采用不同制程工藝的 Chiplet，再借助 2.5D/3D 先進封裝技術整合在一起。「這種異構整合的設計理念，不僅有助於降低芯片的研發成本，而且能夠緩解各行業算力需求方在差異化需求、效能、成本、演算法叠代周期、供應鏈保障等多方面的痛點。」他指出。
「2021 年，在完成了 AI 加速模組研發的基礎上，我們將商業化運作提上日程，正式成立了北極雄芯， 基於 Chiplet 技術研發芯片，提供低成本、快周期的整體解決方案。 」馬愷聲說道。
「用小芯片做大芯片，降低設計開發門檻」
實際上，Chiplet 並不是個新概念，Chiplet 設計理念最早源於 1970 年代誕生的多芯片模組，直到近幾年 Chiplet 技術才再次被業界重視。「這項技術雖然是近幾年才被大眾所了解，但 Chiplet 的概念其實在很早之前就已經被提出來了。」馬愷聲表示。
在他看來，Chiplet 架構的巨大商業價值在於其在「 物理極限」和「商業合理性」中尋求到一個平衡 ，將大部份 IP 或子系統以「矽片化」的方式形成芯粒，並將不同芯粒透過靈活組合並運用到各個行業實際場景中，大幅降低量產成本，加快叠代速度。
圖｜圍繞 Chiplet 研發規劃（來源：公司官網）
據介紹，北極雄芯公司成立三年來已經陸續完成了一系列 Chiplet 基礎設施搭建，而自今年以來，北極雄芯開發的高效能通用 SoC 芯粒、GPU 芯粒，以及自研的 Zeus Gen2 AI 加速芯粒等產品將陸續交付流片。
「2022 年，我們透過‘啟明 930 AI Chip’ 率先完成了 Chiplet 異構整合的全流程工藝驗證 ，包括研發設計、流片測試、基於全國產供應鏈的 2.5D 封裝、AI 工具鏈、模型部署，以及 Chiplet 架構下的編譯及數據鏈路最佳化等；2023 年，我們自主研發的 Chiplet 互聯介面‘PB Link’測試成功，該介面符合國產介面標準且自主可控，具備低成本、低延時、高頻寬、高可靠和相容封裝內外互連等特點。」他說道，「截至目前，我們自研的芯粒互聯介面標準‘PB Link’以及 AI 加速模組均已實作對外授權。」
業務布局方面，「北極雄芯采用‘異構整合’的 Chiplet 架構，將 SoC 系統解耦為通用型 Hub Chiplet、功能型 Functional Chiplet，並透過自研 D2D 介面和封裝方案進行整合，進而形成針對下遊不同場景需求靈活組合的芯片 / 加速卡產品。」他介紹道。
當然，圍繞 Chiplet 技術的開發目前也面臨一系列挑戰。「該技術的整體思路是將單顆大芯片所需不同模組在不同工藝制程上分別流片生產並在封裝時進行靈活組合，而挑戰則體現在‘ 拆、連、封 ’三個節點，分別對應芯片架構及設計能力、高速互聯介面方案能力以及先進封裝能力。」他指出。
圖｜Chiplet 的拆解與定義（來源：公司官網）
「首先，圍繞‘拆’節點，需要兼顧技術可行性及商業合理性。我們以下遊場景需求為出發點，統籌考慮效能需求、數據互動類別以及良率、模組復用率等多方面因素定義各塊 Chiplet 的最優設計方案。在技術上由 Communication-Aware 芯粒劃分方法學降低跨芯粒數據通訊負擔；在商業上透過內部 Chiplet-Actuary 成本模型平衡工藝 - 面積 - 規格選擇，實作高性價比復用的 Chiplet 設計。」他解釋道。
「對於‘連’這個節點，我們自主研發了首個符合國內【芯粒互聯介面標準】及車規級 D2D 介面標準，透過低延時的 NoP 互連網絡，實作多顆芯粒高效通訊，助力算力與功能的擴充套件。」他介紹說。
除此之外，Chiplet 架構下多芯粒互聯對基板層數、走線數量等有較高要求，並且對封裝也提出了更高的要求。「針對‘封’的節點，我們自研的低線數 PB Link D2D 介面滿足國內基板的層數要求，促進供應鏈國產化；同時，我們自研的多芯粒與封裝協同布局設計方法學可助力封裝利用率最佳化；針對 Chiplet 從傳統的單裸片系統到多裸片系統的轉變，我們研發了高效的封裝設計、基於 ANSYS 的芯片 - 封裝聯仿 Sign-off 流程，在封裝級確保 Chiplet 系統的流片成功。」他說道。
馬愷聲坦言，Chiplet 技術從實驗室研發到芯片規模量產，整個過程有大量環節的銜接，最難的是把十余個小芯粒封裝在一起並部署相應的任務，把芯片跑通是個非常復雜的工程，涉及如何在架構定義層面進行縱向拆解？需要支持哪些演算法？IP 如何整合？如何實作高速互聯通訊？如何解決供電散熱材料等等一系列難題。「我們聯合將近十家廠商一起才跑通了啟明 930 芯片，該芯片從研發，到流片，再到回片，耗時將近兩半年，此前業界尚沒有完整的在國產供應鏈跑通全部流程的先例。」他說道。
圖｜啟明 930 芯片（來源：公司官網）
現階段，北極雄芯圍繞 Chiplet相關產品涵蓋 IP 級、芯粒級以及板卡級等多個類別。「自從成立以來，我們專註於發展完善基於不同工藝節點的互聯介面和各類獨立 Chiplet，以期能為各場景芯片設計提供 Chiplet 整合開發模式的便利。」他表示。
他接著進一步解釋說，「Chiplet 架構能提供多種不同工藝節點的芯粒進行互聯，任何芯片設計公司均可基於已有的第三方通用型 Chiplet，比如CPU Chiplet、SoC Chiplet、I/O Chiplet等進行拓展開發，快速制造出與自身場景需求強關聯的客製化芯片。如此一來，將有助於提升性價比、降低開發風險、提升產品叠代速度，大幅降低高效能計算芯片設計的門檻。」
「國內Chiplet產業發展路徑及側重點比海外更多元化」
如今，隨著人工智能爆發式增長，以及汽車 / 消費電子、數據中心等行業對於高效能計算解決方案需求的不斷增加，業界對於 CPU Chiplet、GPU Chiplet、Memory Chiplet 等的需求也逐步提升。
據 Market.US 調研統計，2023 年全球 Chiplet 市場規模約 31 億美元，2024 年將達到 44 億美元，預計到 2033 年將達到 1070 億美元。
圖｜全球 Chiplet 市場規模（來源：https://market.us/）
現階段，北極雄芯所開發的產品主要面向 智能駕駛等邊緣側場景 和 大模型推理等雲邊端部署場景。
細分來看，「隨著汽車智能化逐步向跨域融合、高階自動駕駛等方向演進，Chiplet 架構能夠提供多元化需求的組合方式，降低量產成本，加速產品周期，並且支持下遊客戶共同參與客製化開發，解決汽車芯片開發投入大、風險高、周期長、叠代慢等痛點。」馬愷聲指出，「利用 Chiplet 架構整合拓展可提升單芯片 / 單卡的峰值算力、儲存容量及頻寬，提高模型處理能力，降低單位算力和單位頻寬使用成本，降低每 Token 的推理成本。」他補充說。
圖｜Chiplet 架構產品套用領域廣闊（來源：公司官網）
市場層面，在馬愷聲看來，國內 Chiplet 產業起步時間並不明顯晚於海外，但由於國內集成電路產業鏈成熟度與海外相比有較大差距，市場需求領域也較為差異化，因此國內 Chiplet 產業發展路徑及側重點與海外相比 更加多元化 。
具體而言，「國內高效能計算的市場需求與海外市場略有不同，除了在 AI、大模型訓練等領域所需的通用 GPU 等高效能算力需求外，國內智能駕駛、機器人等下遊市場領域的發展速度高於海外，套用場景深度及廣度均優於海外，將帶動客製化高效能計算需求領域的快速增長，為 Chiplet 提供確定性更高的落地場景。」他說道。
「另一方面，國內的半導體產業尚處於發展期，尤其在當今國際形勢下亦將長期處於追趕階段，產業鏈各環節上與國際領先技術水平相比仍有一定差距，國內高效能計算領域將長期面臨供需缺口的痛點。」他補充說。
近年來，市場上也有不少陸續成立的初創公司專註於 Chiplet 芯片設計研發，但其套用領域各不相同。「與各家 Chiplet 芯片設計企業相比，我們芯粒產品庫及套用領域更加全面，並且已經在業內率先完成了樣片工藝驗證，下一步量產開發風險大幅降低。」他表示。
作為中國 Chiplet 產業聯盟的底層技術承載主體之一，北極雄芯專註於 Chiplet 技術研發，依托國內院校科研能力支撐在產品技術能力及商業化落地等方面積累了大量經驗。「從設計、制造、互聯、封裝、工具鏈等全部跑通，在這件事上我們應該是國內第一家。」馬愷聲說道。
據悉，北極雄芯前不久完成了新一輪融資。「融資資金將主要用於首批核心Chiplet流片及封裝測試，隨著各類芯粒的不斷推出，我們將持續保持在芯粒庫構建上的先發優勢，率先構建國內首個可獨立銷售的‘Chiplet 產品庫’。」馬愷聲說道，「接下來，我們將繼續按照‘小步快跑’的節奏，以產品研發需求為導向，引進各方產業投資。」
「長遠來看，我們致力於 Chiplet 技術在國內的發展，基於 Chiplet 技術降低國內芯片設計門檻，逐步實作各個領域的國產替代。同時我們還將聯合 Chiplet 產業聯盟成員 制定並共同推廣國產化的 Chiplet 技術相關標準 ，建立由中國企業主導的產業生態，實作國家先進制造跨越式發展裏程碑。」馬愷聲總結道。
參考資料：
1.https://www.bjxxtech.net/
2.https://www.bjxxtech.net/html/chiplet/
3.http://www.iiisct.com/chiplet/index.htm
4.https://www.bjxxtech.net/html/cooperate/
