为何我国在大力投资Chiplets技术芯片

在过去几年，美国的制裁已经使我国半导体产业陷入困境。尽管我国公司仍能制造出适用于当今需求的芯片，但由于被禁止进口某些芯片制造技术，这几乎使我国很难生产更先进的产品。

然而，有一个变通办法。一种相对较新的技术，被称为Chiplets（芯片组件）的技术如今为我国提供了一种绕过这些出口禁令、建立一定程度自力更生，并与其他国家（特别是美国）保持同步的方法。

在过去的一年里，我国政府和风险投资家都专注于支持国内芯片组件产业。学术研究人员激励去解决芯片组件制造中的前沿问题，而像北极熊科技（Polar Bear Tech）这样的芯片组件初创企业已经生产出了他们相关的产品。

与传统芯片技术不同，Chiplets技术是将所有组件集成在一块硅片上，采取模块化的方法，将每个具有专门功能的芯片组件，如数据处理或存储集成成为一个系统。由于每个芯片组件都更小且更专业化，因此它们的制造成本更低，发生故障的可能性也更小。同时，系统中的单个芯片组件可以被更新、更好的版本替换以提高性能，而其他功能组件保持不变。

由于芯片组件在摩尔定律后时代仍然具备增长的潜力，MIT Technology Review 将其评为 2024 年的 10 大突破技术之一。像 AMD、Intel 和 Apple 这样在芯片领域具有强大能力的公司也已在他们的产品中使用了这项技术。

对于这些公司来说，Chiplets是半导体产业能继续增加芯片计算能力的几种方式之一，尽管它们有物理方面的限制。但对我国芯片公司来说，它们可以减少国内开发更强大芯片所需的时间和成本，并能提供不断增长的、至关重要的技术领域——如人工智能（AI）。为了将这种潜力变为现实，这些公司需要投资于连接芯片组件成为一个设备的芯片封装技术。

“开发利用芯片组件设计所需的先进封装技术无疑是中国的待办事项之一，”半导体情报公司 TechInsights 的流程分析师 Cameron McKnight-MacNeil 这样说。“众所周知，中国拥有一些芯片组件部署的基础技术。”

通往高性能芯片的捷径

美国政府已经使用出口黑名单限制中国的半导体产业发展好几年了。其中一项制裁于 2022 年 10 月实施，其目的是禁止向中国销售可用于构建 14 纳米代芯片（一种相对先进但非前沿级别）以及更先进芯片的技术。

多年来，我国政府一直在寻找克服芯片制造瓶颈的方法，但像光刻这样的领域——使用光将设计图案转移到硅基材料上的过程——可能需要几十年才能取得突破。今天，与中国台湾、荷兰等地的公司相比，我国内地的企业在芯片制造能力上仍然落后。“尽管我们现在看到国内有半导体制造国际公司生产了7纳米芯片，外界仍怀疑生产成本高昂且产量低，”McKnight-MacNeil 这样表示。

然而，Chiplets确实能成为一种绕过限制的方法。通过将芯片的功能分离成多个芯片组件模块，它降低了制造每个单独部分的难度。如果我国无法购买或制造一个强大的单片芯片，它可以连接那些我们有能力制造但并不那么先进的芯片组件。这些芯片放在一起，其计算能力也基本能达到美国禁止向我国出口的芯片能性能。

但这种芯片制造方法对半导体产业的另一个领域提出了更大的挑战：封装。这是一个将芯片的多个组件组装起来并测试成品设备性能的过程。确保多个芯片组件能够一起工作，需要比传统单片芯片更复杂的封装技术，这种技术被称为先进封装。

但这对我国来说是一个更容易的任务。如今，我国公司已经负责全球 38% 的芯片封装。在我国台湾地区以及新加坡的公司仍然控制着更先进的技术，但在这方面内地企业迎头赶上要容易得多。

“封装不那么标准化，有点不那么自动化。它更多地依赖于熟练技术人员。”哥伦比亚大学研究电信和芯片设计的教授 Harish Krishnaswamy 说。由于国内的劳动力成本仍然低于西方各国，“我不认为这项技术中国需要几十年才能迎头赶上，”他说。

资金正流向Chiplets产业

像半导体产业的其他任何环节一样，开发芯片组件需要资金。但在迅速发展国内芯片产业的紧迫条件下，我国政府和其他投资者已经将资金投向Chiplets研究以及相关初创企业。

2023 年 7 月，中国国家自然科学基金会，国家基础研究的顶级基金宣布，其计划资助 17 到 30 个涉及设计、制造、封装等方面的芯片组件研究项目。该组织表示，计划在未来四年内发放 400 万到 650 万美元的研究资金，目标是将芯片性能提高“一到两个数量级”。

这笔资金更多地集中在学术研究上，但一些地方政府也准备投资于芯片组件的工业机会。在无锡，我国东部的一个中等城市，将自己定位于Chiplets生产的中心——一个“Chiplets谷”。去年，无锡市政府官员提议设立一个 1400 万美元的基金，将Chiplets公司引入该市，并已成功吸引了众多企业。

与此同时，一批定位于Chiplets领域的初创企业已经获得了风险投资的支持。

北极熊科技，一家正在开发通用和专业芯片组件的中国初创企业，在 2023 年获得了超过 1400 万美元的投资。它在 2023 年 2 月发布了其首个基于芯片组件的人工智能芯片，“启明 930”。其他几家初创企业，如 Chiplego、Calculet 和 Kiwimoore，也获得了数百万美元的投资，用于制造汽车或多模态人工智能模型的专业芯片组件。

挑战依旧存在

选择Chiplets方法有所权衡。虽然它通常降低成本并提高可定制性，但芯片中有多个组件意味着需要更多的连接。如果其中一个出现问题，整个芯片都可能失败，因此模块间的高度兼容性至关重要。连接或堆叠几个芯片组件还意味着系统会消耗更多的电力，并会产生更多的热量，热量是芯片的天敌。

为了避免这些问题，不同公司设计的芯片组件必须遵循相同的协议和技术标准。2022 年，全球主要公司联合提出了一种开放标准，称为通用芯片组件互连快线（UCIe）。

但所有参与者都希望为自己争取更多影响力，因此我国企业提出了自己的芯片组件标准。事实上，我国不同的研究联盟在 2023 年至少提出了两种标准作为 UCIe 的替代，而第三种标准在 2024 年 1 月推出，专注于数据传输而非物理连接。

如果没有一个被行业内所有人认可的通用标准，Chiplets就无法实现技术所承诺的定制化水平。它们的缺点会致使全球各地的芯片应用企业采用传统的单片芯片方案。

对于我国来说，采用Chiplets技术还不足以解决其他问题，如获得或制造光刻机。

将几个不那么先进的芯片组合在一起可能会提升我国芯片的使用性能，并代替它无法获得的先进芯片当前的困境，但它终究不能超越先进芯片的性能。随着美国政府不断更新和扩大其半导体制裁，Chiplets技术也可能遇到瓶颈。

2023 年 10 月，当美国商务部修订了其早期对我国半导体产业的制裁时，它包括了一些新的措辞和对Chiplets技术的几次提及。修订增加了新的参数，其中一些新增内容似乎是为了衡量Chiplets的先进程度。

虽然全球的芯片工厂不受限于为中国生产非先进制程的芯片，但美商务部的文件还是要求它们评估这些产品是否可能成为更强大集成芯片的一部分，这给它们带来了更多压力，以验证它们的产品不会最终成为它们本来会被禁止出口给我国的组件。

尽管存在实际和各种障碍，无论投资意愿多么强烈，Chiplets的发展仍将需要时间。这可能是我国半导体产业制造更强芯片的捷径，但它不会是解决技术战的魔法解决方案。