在過去的數年中，芯片粒（chiplet）正在成為Intel等半導體巨頭力推的一種技術。事實上，芯片粒有可能成為SoC之后的下一個芯片生態革命。

　　Intel發布AgileX FPGA，可定制芯片粒成為亮點

　　四月初，Intel發布了最新的AgileX系列FPGA，性能可以比上一代Stratix 10提升40%，且FPGA上的DSP可以支持高達40TOPS的算力。該FPGA中，最引人注目的是大量使用了芯片粒的概念做設計，甚至可以支持第三方芯片粒。

　　AgileX FPGA的設計概念如上圖所示。在中間是10nm工藝制造的FPGA芯片。而圍繞在FPGA四周的（圖中的112G XCVR收發機，PCIe Gen5等）則是芯片粒。從這里可以看到，芯片粒指的是一些IP模塊，這些模塊在傳統設計中是SoC的一部分，而現在則單獨做成一塊芯片粒，并且使用封裝技術（AgileX中使用了Intel的EMIB技術）與其他芯片連接到了一起。

　　值得注意的是，這里的芯片粒事實上是由用戶選擇的，圖中給出的HBM、112G XCVR、CPU Coherent Interface、PCIe Gen5等只是Intel的推薦芯片粒，而Intel也給了用戶自由度以選擇自己想要的芯片粒與FPGA封裝到一起，甚至可以自己去做一塊定制化的芯片粒來與FPGA互聯（為了加快開發速度，Intel建議用戶與eASIC合作來實現快速芯片定制流程）。這些芯片粒可以使用用戶制定的半導體工藝來設計，只是最后在封裝到一起的時候需要使用Intel的EMIB技術。

　　從Intel AgileX的例子中，我們也可以看到最近很熱門的芯片粒的一些特點。Chiplet的英文直譯是“小芯片”，事實上是把原來完整ASIC或SoC的一部分做成了單獨的芯片并且用封裝技術封裝到了一起。較復雜的芯片粒可以是多核處理器中的一個或者數個核（如AMD的Zepplin），而較簡單的芯片粒甚至可以是原本SoC上的一個IP（例如前面例子里的PCIe或HBM模塊）。

　　與SiP的概念相對比，可以說芯片粒是SiP大概念下的一種實現，因為最后芯片粒還是會封裝到一起成為一個SiP；而與傳統SiP實現相比，芯片粒更強調用規模更小的多個芯片（每個芯片往往只是SoC中的一個IP，單個芯片粒本身無法實現復雜功能）去做封裝內集成，這樣原來在SoC內做的IP集成現在可以在封裝內實現，從而降低成本，提高靈活性；而傳統的SiP中集成的芯片往往本身已經較為完整，但是出于成本和模組尺寸等理由集成在一個封裝里。所以我們可以認為芯片粒實際上是把傳統SiP中的SoC再拆分成多個IP并且由封裝技術集成到了一起。

　　Intel并非芯片粒的唯一支持者。去年11月，AMD發布的Rome架構處理器也是由多塊7nm Zen2處理器芯片粒和一塊14nm 互聯和IO芯片使用2.5D技術封裝而成，其中每塊7nm Zen2芯片粒都含有8個核，而多塊芯片粒經過組合最多可以實現64核，芯片粒之間則通過14nm互聯芯片進行芯片間通信。但是與AMD的不同點在于，Intel在AgileX上顯示出了開放的姿態，愿意讓更多用戶也能自由定制芯片粒，從而營造出一個技術生態；而AMD則更保守一些，目前芯片粒技術仍然主要是給自己使用。

　　芯片粒背后的推動力

　　Intel和AMD都在積極使用芯片粒技術，那么芯片粒背后的推動力到底是什么？

　　首先，我們認為芯片粒背后最主要的推動力來自于成本。隨著先進半導體工藝越來越接近物理極限，其成本也越來越高。而另一方面，芯片的良率與芯片的面積有關。從直覺上說，假如在晶圓上10mm^2的面積上出現了一個制造瑕疵，那么在芯片面積也是10mm^2的情況下，這塊芯片就沒法用了；而如果芯片面積是5mm^2，那么10mm^2的面積可以容納兩塊該芯片，如果出了一個制造瑕疵那么兩塊芯片中至少還有一塊芯片可以用。

　　在芯片良率數學模型的曲線中，我們也可以看到隨著芯片面積增大，芯片良率會下降。因此，在先進半導體工藝節點上制造大面積芯片的成本非常高，一方面先進半導體工藝很昂貴，另一方面良率也隨著面積下降，兩相結合就進一步推高了芯片的成本。

　　對于這個先進工藝中芯片的良率和成本問題，芯片粒就是一個很好的解決方案。與其制造一塊面積很大，良率很低（因此成本很高）的大芯片，還不如把芯片上的各個模塊各自做成芯片粒，而整個系統則在封裝內完成集成。由于芯片粒面積較小，因此其良率也較好，總體來看使用芯片粒在封裝內集成系統的辦法相比直接設計一塊大SoC的良率和成本都有改善。因此，我們看到Intel和AMD在使用先進半導體工藝節點的復雜芯片系統上，都使用了芯片粒架構以改善良率和成本。

　　除了成本之外，芯片粒的另一個推動力就是異構計算和集成 。隨著摩爾定律接近瓶頸，靠半導體工藝進步來提升芯片性能越來越難，因此芯片的性能提升往往來自于針對特定應用的定制化設計。芯片粒就能提供這樣的機會，芯片廠商可以針對特定應用設計專用的高性能芯片粒，并且和其他通用芯片粒（例如內存，高速串行接口等）集成在封裝里，從而實現異構計算和集成以提升系統性能。

　　芯片粒生態——半導體行業下一個重要變革

　　Intel在AgileX FPGA產品中鼓勵用戶自主選擇和設計芯片粒以搭建為自己應用優化的系統是Intel正在努力構建芯片粒生態的重要標志。而芯片粒生態一旦形成，將會成為堪比SoC的重要芯片設計范式。

　　我們不妨回顧一下SoC模式帶來的變化。在SoC的模式出現前，一個芯片廠商如果想要設計一款芯片，必須有能力獨立設計芯片上的所有模塊。這大大增加了芯片設計的門檻。而隨著SoC模式的出現，芯片廠商可以通過自主采購IP并做集成的方式來設計芯片，這樣芯片廠商只需要負責設計芯片中最核心的模塊，而其他通用IP都可以直接購買，在有些情況下芯片廠商甚至不用設計任何模塊，而只是通過IP模塊之間的巧妙搭配來實現創新。可以說SoC（加上Fabless）是上世紀半導體行業最大的革新，它大大降低了芯片設計的門檻，也讓半導體產業變得更加欣欣向榮。

　　而在異構計算逐漸成為主流的今天，芯片粒生態的出現則可望幫助芯片系統設計廠商進一步降低設計異構計算系統的成本。通過使用芯片粒加上封裝集成技術，廠商只需要設計核心部分的芯片粒，該芯片粒可以非常簡單，只需包括核心功能即可。內存接口、PCIe接口、WiFi等通用模塊直接購買現成的芯片粒即可。這樣一來，相比SoC，芯片粒更進一步降低了設計和集成的難度，同時也降低了設計的成本。

　　一方面，由于只需要設計核心模塊，設計時間就大大縮短了，這就很大程度上降低了成本；

　　另一方面，不少芯片系統的核心模塊其實不用使用最先進的工藝，因此可以使用成熟工藝來實現核心模塊的芯片粒，然后再去和使用最先進工藝的通用芯片粒模塊做封裝上集成。這樣一來，比起全部使用最先進的工藝做一塊大芯片，使用芯片粒的解決方案在成本和風險方面都大大改善了。

　　由于使用芯片粒會大大降低芯片設計門檻，因此一旦芯片粒的生態鋪開，我們預計會看到許多傳統上不做芯片的硬件、系統以及互聯網公司都開始做自己的定制化芯片粒系統。這將會為芯片行業帶來新的變革。從這個角度來看，能把握住芯片粒生態的廠商將會在芯片粒時代扮演極其重要的角色，就像TSMC等代工廠在SoC+Fabless時代的角色一樣。現在看來，Intel通過積極推動第三方芯片粒與自己的FPGA集成，正在成為開放芯片粒生態的領跑者。未來的芯片粒帶來的芯片生態變革，讓我們拭目以待。