Chiplet為應對行業日益增長的功能需求和成本壓力這兩大挑戰提供了極具吸引力的解決方案。汽車行業面臨著前所未有的挑戰。如何在規模化生產中整合日益複雜的電子系統，同時保持成本競爭力。傳統的單片系統級晶片 (SoC) 設計雖然功能強大，但在擴展到汽車量產規模時卻會帶來巨大的經濟負擔。晶片組 (Chiplet) 技術應運而生，成為一種極具吸引力的解決方案，它通過模組化、良率最佳化和 IP 模組的設計復用，顯著降低了成本。以典型的高級駕駛輔助系統 (ADAS) 控製器為例，它需要高性能計算核心、專用人工智慧加速器、多個通訊介面和電源管理電路。在單晶片設計中，整個系統將採用昂貴的先進工藝節點（例如 7nm 或 5nm）製造在單個大型晶片上。如果該大型晶片的任何部分存在製造缺陷，則整個晶片將無法使用，導致良率低下。晶片組方案從根本上改變了這種經濟格局。與使用單個大型晶片不同，同樣的ADAS控製器可以使用多個小型晶片來實現：採用7nm工藝的CPU晶片組用於提升性能，採用22nm工藝的記憶體介面晶片組用於降低成本，採用專用工藝的模擬射頻晶片組，以及採用成熟的65nm工藝的電源管理晶片組。每個晶片組都可以獨立製造和測試，只有經過驗證合格的晶片才會被組裝到最終封裝中。這種方法通常可以將系統總成本降低20%至40%，同時將製造良率從60%至70%提高到90%以上。什麼是晶片組？戈登·摩爾在他的論文《將更多元件塞進積體電路》中已經提到了多晶片器件的發展趨勢。圖 1：先進封裝技術發展時間線（圖片由Cadence 提供）晶片組架構代表著與傳統半導體設計理念的範式轉變。它並非將所有系統功能整合到單個矽片上，而是將複雜的系統分割成更小、功能獨立的半導體晶片，這些晶片通過標準化的高速互連進行通訊。每個晶片組在整個系統中都承擔著特定的功能。可以把它想像成用樂高積木搭建，而不是從一塊大理石上雕刻。例如，圖形晶片組負責視覺處理，CPU晶片組負責通用計算，記憶體晶片組提供儲存空間，I/O晶片組負責外部通訊。這些元件通常採用不同的工藝技術分別製造，這些工藝技術針對各自的特定功能進行了最佳化，然後使用先進的封裝技術將它們組裝成單個封裝。關鍵區別在於互連標準。與傳統的晶片級互連（不同晶片通過速度相對較慢的封裝級連接進行通訊）不同，晶片組採用超高頻寬、低延遲的互連技術，例如英特爾的先進介面匯流排 (AIB)、AMD 的 Infinity Fabric 或新興標準，如通用晶片組互連高速介面 (UCIe)。這些連接的性能接近片上通訊，使晶片組系統在功能上如同單晶片 SoC，而這正是其真正優勢所在。晶片設計的改變圖 2：從單片式到晶片式晶片組設計需要對傳統的積體電路設計方法進行根本性的重新思考。該過程始於系統級劃分，工程師們（不一定來自同一家公司）必須仔細分析整體系統需求，並確定劃分為各個晶片組的邏輯邊界。分區決策涉及幾個關鍵因素。需要頻繁、高頻寬通訊的功能通常應保留在同一個晶片組內，以最大限度地減少晶片組間的通訊量。電源域和不同的工藝技術要求提供了天然的邊界。例如，模擬電路通常需要與數字邏輯不同的工藝節點，因此它們是獨立晶片組的理想選擇。晶片劃分完成後，每個晶片組都必須採用標準化的介面設計。這與傳統的積體電路設計截然不同，傳統積體電路設計可以針對特定應用場景最佳化內部介面。晶片組介面必須遵循行業標準或專有協議，這些標準或協議定義了電氣特性、時序要求和通訊協議。晶片封裝的物理設計變得更加複雜。傳統的佈局規劃現在必須考慮高速序列器/解串器 (SerDes) 電路的放置、跨越多個晶片的供電網路以及多晶片封裝的熱管理。訊號完整性分析不僅要考慮晶片內部的布線，還要考慮封裝級互連以及相鄰晶片之間潛在的串擾。驗證和測試策略也需要進行調整。每個晶片在組裝前都必須進行徹底的獨立測試，這就需要全面的內建自測試 (BIST) 功能。組裝後的測試變得更具挑戰性，因為傳統的邊界掃描技術可能無法充分覆蓋晶片間的連接。圖 3：一個帶有 8 個晶片的交換機。將不同晶片整合到單個封裝中的挑戰晶片系統整合面臨的挑戰涉及多個工程領域，每個領域都存在獨特的技術障礙，必須克服這些障礙才能成功實施。散熱管理或許是其中最嚴峻的挑戰。多個相鄰的晶片會產生大量熱量，形成熱點，從而降低性能或導致可靠性問題。因此，先進的散熱解決方案，包括嵌入式冷卻結構、導熱介面材料以及精心設計的電源供應系統，變得至關重要。不同晶片材料之間的熱膨脹係數差異會導致機械應力，進而可能在溫度循環過程中造成焊點失效或晶片開裂。晶片數量越多，供電複雜性呈指數級增長。每個晶片可能需要多個電壓域，每個電壓域都有特定的電流和噪聲要求。封裝必須為所有晶片提供純淨、穩定的電源，同時最大限度地減少互連網路上的電壓降。先進的封裝技術，例如矽通孔 (TSV) 和嵌入式電壓調節器，有助於應對這些挑戰，但也會增加成本和設計複雜性。晶片間互連的訊號完整性需要格外注意阻抗匹配、串擾最小化和時序收斂。高速訊號在封裝級互連中傳輸時，面臨著與片上佈線不同的挑戰，包括更大的寄生效應、潛在的電磁干擾以及封裝基板上的工藝偏差。製造和組裝環節也面臨諸多挑戰。已知合格晶片的測試至關重要，因為組裝後更換單個缺陷晶片通常不經濟。組裝工藝必須實現多個晶片之間的精確對準和粘合，而這些晶片的尺寸和厚度往往各不相同。由於故障模式可能出現在晶片級、互連級或系統級，質量控制和可靠性測試也變得更加複雜。軟體和韌體整合又增加了一層複雜性。作業系統和驅動程式必須瞭解晶片架構，才能最佳化性能、管理功耗並處理潛在的故障模式。快取一致性協議必須跨越多個晶片，這需要精心協調才能維持系統級性能。Chiplet在汽車行業的應用實例汽車行業為晶片技術提供了許多引人注目的應用案例，每個案例都充分利用了模組化半導體架構的獨特優勢。高級駕駛輔助系統 (ADAS) 是其最突出的應用領域。現代 ADAS 控製器需要多種計算能力：用於處理攝影機資料的電腦視覺處理器、雷達訊號處理器、雷射雷達處理單元、感測器融合引擎以及安全關鍵型控制邏輯。基於晶片組的 ADAS 控製器可能整合用於通用處理的高性能 CPU 晶片組、用於機器學習推理的專用 AI 加速晶片組、用於感測器資料的專用訊號處理晶片組以及符合汽車功能安全標準 (ISO 26262) 的安全關鍵型微控製器晶片組。與單晶片實現方案相比，這種方法具有多項優勢。不同的晶片組可以採用最佳工藝技術進行製造——人工智慧加速器採用尖端工藝節點以實現最佳性能，安全微控製器採用成熟可靠的工藝，模擬感測器介面採用專用混合訊號工藝。模組化架構還支援可擴展的產品系列，其中基礎型ADAS系統使用的晶片組較少，而高端系統則整合了額外的處理功能。車載資訊娛樂系統從晶片模組化中獲益匪淺。典型的車載資訊娛樂系統需要圖形處理（用於多個螢幕）、音訊數字訊號處理、連接模組（Wi-Fi、藍牙、蜂窩網路）以及用於應用程式的通用計算。晶片模組化設計使製造商能夠採用來自消費電子領域的成熟圖形晶片、專用的汽車級連接晶片以及成本最佳化的應用處理器晶片。電動汽車 (EV) 動力系統是另一個引人注目的應用領域。電動汽車控制系統需要高壓電源管理、電機控制演算法、電池管理功能和車輛通訊介面。基於晶片組的方法可以將高壓模擬電路與敏感的數字處理分離，通過將發熱功能分佈到多個晶片上來改善散熱管理，並允許使用合適的工藝技術最佳化不同的功能。車身控制模組負責管理照明、車門控制、車窗升降和空調系統等功能，可以利用晶片組架構打造可擴展且經濟高效的解決方案。基礎配置可能僅使用最少的晶片組來實現基本功能，而豪華車型則會整合更多晶片組來實現高級功能。結論Chiplet 技術代表了一種變革性的汽車半導體設計方法，為應對行業日益增長的功能需求和成本壓力這兩大挑戰提供了極具吸引力的解決方案。其經濟優勢顯而易見：更高的製造良率、通過設計復用降低的開發成本以及針對不同功能最佳化的工藝技術選擇，與單片式方案相比，可實現系統級成本降低 20% 至 40%。然而，晶片組的成功實現需要掌握新的設計方法、先進的封裝技術以及應對複雜的整合挑戰。跨多晶片系統的熱管理、電源傳輸和訊號完整性都需要精密的工程解決方案。汽車行業嚴格的可靠性和安全性要求，更使本已極具挑戰性的設計問題雪上加霜。儘管面臨這些挑戰，早期採用者已證明晶片組技術在汽車應用中的可行性。隨著行業標準的成熟和設計方法的演進，晶片組技術有望成為複雜汽車電子系統的主導架構。該技術為汽車電子領域的持續創新提供了一條切實可行的途徑，同時保持了大眾市場普及所需的成本結構。汽車電子的未來不在於不斷增大單晶片的尺寸，而在於將功能智能地分解成最佳化的、可重複使用的晶片模組。對於汽車工程師而言，理解並接受這種架構轉變至關重要，它能幫助他們開發出下一代汽車電子系統，從而以具有競爭力的成本提供先進的功能。 (半導體產業縱橫)

國產晶片先進製程的希望在那兒呢？——光刻機，還是另闢蹊徑？尤其是隨著全球人工智慧產業的集中爆發，以及自動駕駛的進一步普及；國產晶片對於高性能晶片的需求日益迫切！在光刻機短期內無法突破的情況下，Chiplet技術和先進封裝技術就成為面對先進製程挑戰的重要路徑。同時，面對半導體工藝逐步逼近2nm物理極限，“超越摩爾定律”已成全球半導體產業界的共識，為此先進封裝成為最重要的“超越路徑”；其中混合鍵合（Hybrid Bonding）憑藉高密度互連與低功耗特性，成為突破的不二之選。但對於國產半導體產業而言，高端鍵合裝置幾乎被國外廠商所壟斷，成為了國產先進封裝突破的“達摩克利斯之劍”。這一現狀，隨著3月12日青禾晶元正式發佈全球首台獨立研發的C2W&W2W雙模式混合鍵合裝置而成為歷史；同時也意味著國產半導體先進封裝正式打破國際巨頭技術壟斷。據瞭解，此次青禾晶元發佈的C2W&W2W雙模式混合鍵合裝置SAB 82CWW系列，通過一體化架構設計，首次實現C2W（晶片-晶圓）與W2W（晶圓-晶圓）雙模式協同。我們知道，傳統封裝廠商進行混合鍵合製程時，往往面臨一個關鍵抉擇：選擇晶片對晶圓（C2W）還是晶圓對晶圓（W2W）技術路線。這種選擇意味著良率和產能的只能取其一；如選擇C2W則意味著每顆晶片都需要精準定位，產能受限；而選擇W2W則適合小晶片的批次鍵合，但在大晶片良率波動大。而此次青禾晶元的SAB 82CWW系列裝置最大的創新在於，先進封裝廠商不需要選擇非此即彼了；其裝置實現了同時支援C2W和W2W雙模式混合鍵合，實現兩種技術路線的“協同進化”。因而，這此次青禾晶元的突破不僅有效提升了封裝廠商的研發效率，同時還可以極大的降級裝置營運的效率和成本；也標誌著國產高端鍵合裝置正式成為全球主流，甚至某些技術上實現了超越。另外，值得特別一提的事，青禾晶元的裝置還支援8英吋和12英吋晶圓的相容切換，能夠處理厚度最薄至35微米的超薄晶片，並通過自動更換夾具，相容0.5×0.5mm至50×50mm的晶片。同時，通過獨創的晶片邊緣夾持技術，避免了晶片正面的顆粒污染，顯著提升了生產良率和可靠性。同時，由於全球市場對於先進封裝的需求正在快速放大，預計未來鍵合裝置的市場也將持續高速增長；目前鍵合裝置市場主要包括引線鍵合、混合鍵合（Hybrid Bonding）、晶圓鍵合（Wafer Bonding）及臨時鍵合/解鍵合四大技術領域，應用日益廣泛，包括半導體封裝、儲存晶片（如3D NAND、HBM）、消費電子、汽車電子等應用場景。其中，混合鍵合是後摩爾時代的關鍵技術，通過實現高密度互聯密度提升10倍以上，預計2030年市場規模預計達200億人民幣，主要應用於HBM和3D NAND。目前混合鍵合裝置市場主要海外企業EVG、SUSS、BESI主導，佔據整個市場的90%以上份額，國產化率不足5%。國內廠商中拓荊科技、邁為股份已推出相關裝置並進入驗證階段；而青禾晶元新一代混合鍵合裝置SAB 82CWW系列的發佈，不僅打破了EVG等國際龍頭在高端混合鍵合等關鍵工藝的獨家供應，同時為國產3D封裝技術和產能的發展提供了可靠的保障；另外，混合鍵合裝置的突破，也進一步加速了國產Chiplet、存算一體等新技術和新架構的落地。 (飆叔科技洞察)

遙想2023年3月，輝達舉行了GTC 2023主題演講，輝達CEO黃仁勳不僅闡述了該公司在人工智慧時代的諸多成就和對未來發展願景的期待，同時也帶來Grace Hopper超級晶片、AI Foundations雲端服務、AI超級運算服務DGX Cloud、全球首個GPU加速量子運算系統等在內的多款重磅硬體新品。 而在台北時間2024年3月19日上午，輝達再次舉辦了一年一度的NVIDIA GTC主題演講，輝達CEO 黃仁勳透過這次演講，分享了新一代的AI突破，也讓各位觀眾見證了AI的又一次變革時刻。 穿著熟悉皮衣的黃仁勳自然是這場演講的主角，「世界上沒有哪一個會議有如此多樣化的研究人員，其中有大量的生命科學、醫療保健、零售、物流公司等等，」他說， “全球價值100 兆美元的公司都聚集在GTC。” 黃仁勳表示：「我們已經到了一個臨界點，我們需要一種新的運算方式......加速運算是一種巨大的提速。所有的合作夥伴都要求更高的功率和效率，那麼輝達能做些什麼呢？”

最近，半導體工程與Arteris 解決方案和業務開發副總裁Frank Schirrmeister ；Cadence矽解決方案部產品行銷總監Mayank Bhatnagar；Expedera行銷副總裁Paul Karazuba， ；是德科技EDA 產品管理/整合經理Stephen Slater；西門子EDA高級封裝解決方案客戶技術經理Kevin Rinebold；以及Synopsys高效能運算IP 解決方案產品管理副總裁Mick Posner坐下來討論建立商業芯粒生態系統的挑戰。 以下是該討論的摘錄。 SE：如今，chiplet 的各個方面都有很多討論和活動。您對商業Chiplet 生態系統目前的狀況有何看法？ Schirrmeister：如今，人們對開放式芯粒生態系統很感興趣，但我們距離真正的開放性可能還很遠。芯粒的專有版本仍然活躍並且正在蓬勃發展。我們在設計中看到了它們。我們的供應商都支持這些目標，使其成為現實，就像UCIe 支持者一樣，但要實現完全開放的生態系統還需要一些時間。我們可能至少需要三到五年才能達到PCI Express 類型的交換環境。

透過小晶片（Chiplet）、HBM等樣態利用先進封裝支援各種運算需求建構半導體跨域生態系 全球產業數位化，數位資料規模攀升，加上AI技術興起，全球對資料處理、大數據分析與AI應用的需求快速成長，間接提高對支援高效能運算（HPC）與AI運算的硬體裝置及晶片要求。以雲端資料中心伺服器來說，HPC與AI運算需求下，需要搭配升級的晶片包含作為運算核心的中央處理器（CPU）與圖形處理器（GPU）、伺服器基板管理晶片（BMC）、電源管理晶片（PMIC）、高速傳輸晶片，以及儲存等。 其中，儲存除用於長期儲存資料、屬於非揮發性儲存的NAND Flash固態硬碟（SSD），也包含用於即時高速運算暫存資料、屬於揮發性儲存的靜態隨機存取儲存（SRAM）與動態隨機存取儲存（DRAM）。 儲存在晶片運算過程中的主要作用，是暫存運算過程中的中間值或參數。傳統的暫存用儲存可區分為晶片內部的快閃（Cache）儲存與外部連接的DRAM。隨著運算效能持續提升，晶片對內部與外部儲存的容量與資料存取速率要求提高，特別是內部Cache儲存。在封裝的空間尺寸有限下，將小晶片（Chiplet）透過先進封裝在單一晶片內形成更高密度的堆疊整合，成為提高晶片內部儲存容量的重要選項。

近日，荷蘭光刻機巨擘ASML公司宣布，向Intel公司交付其新型高數值孔徑（High NA EUV）的極紫外光刻機，每台新機器的成本超過3億美元。據了解，最新的High NA EUV可以製造2nm及以下的晶片。 消息出來後，又引起大家對於中國國產晶片的一陣擔憂。雖然中國國產晶片由於光刻機的限制，目前製程製程的落後是客觀存在的，但光刻機這個產品本身確實已經走到一條不歸路。詳細可見飆叔深度解析小文：EUV微影機走向絕路，國產光刻機何去何從？ 也就是說，此次英特爾拿到的High NA EUV大機率是光刻機的「絕唱版」了。決定性因素在於晶片製造端的摩爾定律已經逼近極限，沒有更多迴旋空間了。 於此，全世界半導體產業界都在尋找各種替代的方案。目前主要有兩個思路：

自從遵循IBM的要求，將X86架構和產品授權AMD以來，英特爾和AMD就成為了處理器領域當之無愧的巨頭。尤其在PC時代，這兩者幾無競爭對手，他們也一直引領著晶片設計。 雖然錯過了手機時代，但現在的伺服器和AI時代，這兩家半導體「老兵」有了廣大的發揮之地。為了滿足終端的需求，他們也在自己的晶片設計和製造上各出奇招。 繼該領域的先驅AMD 之後，英特爾在日前的Intel Innovation活動上也宣布推出基於Chiplet 的產品Meteor Lake（圖1）。根據介紹，Meteor Lake 的結構結合了5 種類型的tile：當中包含了4 種類型的tile（CPU/IO/圖形/SoC）以及位於所有這些tile之下的基本tile。從這顆晶片開始，我們正式見證了英特爾全面進入Chiplet時代。 圖1 AMD和Intel，也再次在同一個戰場上相遇。

當前，在電動化、智能化、網聯化和共享化等“新四化”趨勢推動下，汽車已經成為“輪子上的數據中心”，汽車半導體用量迅速提升。預計到2030年，高端汽車物料清單中，芯片比重將從當前的4%左右提升至20%以上。 隨著汽車電動化和智能化進程的加快，汽車對新一代芯片的要求也在不斷提升。 過去一個普通的單片機就可以應付整車的電子控制系統，而如今隨著輔助駕駛、語音識別、多媒體、車聯網...等新興場景的快速崛起，對芯片計算性能提出了更高的要求。 汽車芯片從原來通用型、分散化的單一功能芯片快速轉向集成化的多功能SoC芯片。比如，在智能座艙領域，CPU算力用於提高任務處理能力，還需要GPU算力來處理視頻等非結構化數據，高效的AI算力來滿足智能化交互體驗要求，以提升人機交互體驗。