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Chiplet半导体产业突破先进制程和算力瓶颈的机遇：预估2024/2035年全球Chiplet市场规模达58/570亿美元

SOURCE FROM: TF SECURITIES

一、Chiplet 产业链

Chiplet 产业链

Chiplet革新半导体产业生态，芯片设计和封装或处于链条中心环节，预估2024/2035年全球市场规模达58/570 亿美元。Chiplet 发展涉及到整个半导体产业链，是一场生态变革，会影响到从 EDA 厂商、晶圆制造和封装公司、芯粒 IP供应商、Chiplet 产品及系统设计公司到 Fabless 设计厂商的各个环节的参与者。在分工上，当前由于产业规模尚未起量，企业边界较为模糊，大多数会跨越多个环节，例如国内的奇异摩尔、北极雄芯、奎芯科技在提供芯粒方案同时也涉及芯片设计服务。据报告，2024 年 Chiplet 的市场规模将达到 58 亿美元，2035 年则会超过 570 亿美元，Chiplet 的全球市场规模将迎来快速增长。

从产业链整体分工来看，发展初期企业边界较为模糊，Chiplet 的平台是竞相布局的焦点。例如上文提到的一些企业既提供芯粒方案也涉及芯片设计服务，而 Chiplet 芯片设计企业的芯粒主要是自己提供，如 AMD、华为、芯原微等；Chiplet 的平台是竞相布局的焦点，不论是芯片设计服务企业（如奇异摩尔）、封装企业（如长电、日月光等），还是 EDA 工具（如概伦电子、华大九天等）企业都有所涉及，在为自身研发服务的同时，未来有机会成为行业通用平台。

（1）设计环节：产品良率提升、开发成本降低，先进制程要求降低。Chiplet 降低了对先进制程的需求，能够降低大规模芯片设计的门槛，同时降低制造成本，提升芯片良率。

（2）EDA 环节：新 EDA 平台诉求促进价值提升。EDA 企业方面，直接套用原来的 EDA工具很难发挥出 Chiplet 真正优势。Chiplet 需要一个新的 EDA 平台，在架构、物理实现、分析及验证等方面都要适应 Chiplet 的需求，从“系统设计”到“签核”做出重构。

（3）IP 环节：IP 供应商在产业链中的重要性上升，需要其提供高速互联 IP，帮助设计厂商加快产品迭代速度。

（4）制造环节：良率提升，成本降低，小芯片和硅转接板（siliconinterposer）的使用增加带来价值增量。工艺迭代方面，Chiplet 迭代周期远低于 ASIC，可提升晶圆厂的产线利用率。 工艺制程方面，Chiplet 可以降低对先进工艺制程的依赖，实现与先进工艺相接近的性能。大幅提高芯片的良率、提升晶圆面积利用率，进一步降低制造成本。先进封装中使用的硅转接板为晶圆厂制造，故会带来价值量的提升。

（5）封测环节：先进封装驱动下，封测环节价值量显著提升。Chiplet 核心在于高速互联，对封装工艺提出更高要求，特别是专注于提升封装体的复杂度和集成度的先进封装。从同构小芯粒集成到同构扩展再到异构集成。SoC 分解为芯粒使得封装难度陡增，互联封装需要保障芯粒连接工艺的可靠性、普适性，实现芯粒间数据传输的大带宽、低延迟。根据 YOLE，先进封装市场预计2019-2025 年复合年增长率为 6.6%，2025 年将达到 420 亿美元。其中 2.5D/3D 堆叠 IC、ED 和 FO 是增长最快的技术平台，复合年增长率分别为 21%、18%和 16%。 测试环节方面，小芯片数量增多，并行Die-to-Die 接口基本上都包含了大量的（上千个）IO 引脚，来驱动跨 Chiplet 的单端信号，测试中需要使用边界扫描(BoundaryScan)测试才能确保多个裸芯互联的可靠性，Chiplet 或提升测试难度及测试工作量。

封装测试设备环节方面，伴随下游芯片封测数量、价值量提升，有望迎来需求起量。

（6）材料环节：Chiplet 的应用会增加封装载板的用量。用于高端产品的载板层数多，面积大，线路密度高，通孔小，将推动以 ABF 作为积层绝缘介质材料的 ABF 载板用量。

从技术实现角度看，Chiplet 本质上是一个基础设计方法论，通过设计实现互联优化集成、通过先进封装实现物理连接。据甲子光年报道，一位 Chiplet 领域的投资人透露，Chiplet的发展 30%靠设计方法的改变，70%依靠封装技术的进步。厂商利用先进封装、互联设计及Chiplet 芯粒，进行片间和片上互联优化集成，来为芯片设计提供价值。因此互联设计和先进封装是其中两个重要的技术实现方式。

二、质的飞跃：从成本到性能，Chiplet 突破三大瓶颈

Chiplet 又称芯粒或小芯片，是硅片级别的“解构-重构-复用”，它把传统的 SoC 分解为多个芯粒模块，将这些芯粒分开制备后再通过互联封装形成一个完整芯片。芯粒可以采用不同工艺进行分离制造，可以显著降低成本，并实现一种新形式的 IP 复用。其为 SoC 集成发展到当今时代，摩尔定律逐渐放缓情况下，持续提高集成度和芯片算力的重要途径。相比传统Monolithic（单一整体）芯片技术，Chiplet 技术能够在降低成本的同时获得更高的集成度。

Chiplet 具体方案包括同构、异构、异质。同构即对相同制程和类型的芯片进行连接扩展，如 4 个 7nm，单颗算力 30 个 tops，4 个堆为 120tops。异构堆叠是通过把大芯片分成面积更小的单元模块，选择最适合的半导体制程工艺，从而实现媲美乃至超越传统 SOC 的性能和各项表现。异质主要指将不同材料的芯片集成为一体。

异构集成和异质集成

Chiplet 带来的三大突破示意图及与性能提升的关系

摩尔定律放缓及国际形势不确定加剧下，预期 Chiplet 能为半导体产业带来三大突破，海内外有望同步受益，对我国半导体产业而言，也是一次突破先进制程和算力瓶颈的产业机遇。

（1）同构小芯粒集成方案提升良率，降低成本，结合 AMD Zen1 架构的应用案例，增加10%面积，良率提升，降低了 40%的量产成本。我们认为在同等成本下，同构小芯粒集成方案有望带来性能的百分比增长。

（2）同构扩展方案能够大幅提高性能以应对算力爆炸的时代需求，结合苹果 M1 Ultra将两个 M1 Max 芯片连成一个芯片，芯片面积增加 100%，各项硬件指标也实现了直接翻倍。我们认为同构扩展方案或可带来性能的翻倍增长。

（3）异构集成方案对芯片进行了“模块化”的拆分，各个模块采用其合适的制程，在降低设计成本和难度的同时大幅提升芯片性能。同时 Chiplet 能够助力处理器的超异构趋势，平衡处理器的性能和灵活性，带来算力的指数级增长。

2.1 良率&成本突破：同构小芯粒集成提升良率，降低成本

2.2 面积&性能突破：同构扩展提高性能，应对算力的指数级增长

2.3 设计&制程突破：模块化拆分优化设计，超异构打开想象空间

2.4 地缘政治影响下，Chiplet 加持中国自主产业链的构建

三、封装环节：国内厂商布局加速，有望受益价值量提升+周期复苏双逻辑

3.1 从 2D 封装到 3DChiplet：先进封装价值量不断提升

封装演进的本质是在成本可控的情况下尽可能提升互联的密度与速度，从 2D 封装到 2.5D Chiplet、3DChiplet，封装环节价值量&重要性不断提升。

Chiplet 从横向集成发展到纵向堆叠，2D 封装不再能满足高性能需求。Chiplet 首先在平面维度对芯粒进行集成，随着市场越来越多元化，人工智能、大数据、云计算等应用相继兴起，都希望有更高的运算速率，更高的带宽，更小体积，2D 封装如SiP(S【【微信】】)和 SoB(System on Board)，由于是普通封装和板级的工艺，布线密度受限，导致整个产品带宽受限，尺寸偏大。芯片在 2D 层面的微缩已不能满足性能提升诉求，2.5DChiplet、3D Chiplet 才是未来提升系统效能、缩小芯片面积、整合不同功能的发展趋势。

（1）2.5DChiplet：interposer 及 TSV 等提升封装价值量

2.5D Chiplet 的核心是多芯片/芯粒通过高密度的介质互联集成。按照互联方式不同主要有CoWoS、EMIB 等。在 2.5D 封装中，芯片并排放置在中介层(interposer)顶部，通过芯片的微凸块(uBump)和中介层中的布线实现互连。中介层通过硅通孔(TSV)实现上下层的互连，再通过锡球(C4)焊接至传统 2D 的封装基板上。 中介层、硅通孔在实现 2.5DChiplet 中扮演着关键角色，助力封装价值量提升。

1）中介层是一种由硅和有机材料制成的硅基板，是先进封装中多芯片模块传递电信号的管道，可以实现芯片间的互连，也可以实现与封装基板的互连，充当多颗裸片和电路板之间的桥梁。

2）硅通孔是 2.5D 封装解决方案的关键实现技术，是在晶圆中填充以铜，提供贯通硅晶圆裸片的垂直互连，用最短路径将硅片一侧和另一侧进行电气连通。

（2）3DChiplet：TSV 工艺难度高，性能大幅提升在处理器领域率先应用

相较于 2.5D Chiplet，3D Chiplet 直接将芯片堆叠，涉及硅通孔工艺难度高，在处理器和存储方案中有较多应用。与 2.5DChiplet 技术主要区别在于，2.5D Chiplet 是在中介层Interposer 上进行布线和打孔，而 3D Chiplet 是直接在芯片上打孔和布线，通过 TSV 技术电气连接上下层芯片。挑战在于要在芯片内直接制作硅穿孔困难度极高，但由于高效能运算、人工智能等应用兴起，叠加 TSV 技术愈来愈成熟，可以看到越来越多的 CPU、GPU 和记忆体开始采用 3DChiplet。

主流的 3D Chiplet 技术包括 CoW 和 WoW 等，大幅提升芯片性能、能耗比及良率。WoW（Wafer onWafer）技术实现方式为将多个芯片堆叠起来，从以往的 2.5D Chiplet 在晶圆上水平放置模块的方式，改为垂直放置两个或以上的模块。通过 WoW 技术，可以把更多的模块放到相同面积的晶圆中，并能使每个芯片以极高的速度和极低的延迟通信，从而实现芯片性能和能耗比的全面提升。CoW（Chip onWafer）技术是一种在硅晶圆上堆叠 Chiplet的技术，它将多个 Chiplet 通过封装制程连接至硅晶圆。采用 CoW 设计的芯片，生产上会更加的成熟，良率也会得到大幅提升。

3D 封装示意图

3.2. 国内头部厂商：实现 Chiplet 产品量产，掌握核心工艺

产业分工角度看，晶圆厂与封装厂工艺各有优势，供应链分工角度考虑封装厂业务份额有望提升。2.5DChiplet 和 3D Chiplet 中涉及到的许多技术是前段工艺的延续，而晶圆厂在前段环节是有技术优势的，比如硅转接板封装的制造。而后道封装厂商的优势在于异质异构的集成（即互联部分），同时也在 2.5D 和 3D 后道封装领域有较高的经验积累和技术壁垒，当前长电科技、通富微电、华天科技三家企业均已实现 Chiplet 产品量产。另外，根据长电科技技术市场副总裁包旭升采访，从供应链角度考虑，大多客户更期待专业化的分工，希望晶圆厂专注做好芯片，封装单独由其他厂商来做。

当前国内长电科技、通富微电和华天科技三家国内头部封测厂商均具备 chiplet 量产能力，长电科技在 TSV-less、RDL 等技术方面有所布局，通富微电推出融合了 2.5D、3D、M【【微信】】等技术的先进封装平台――【【微信】】，华天科技推出由 TSV、eSiFo、3D SiP构成的最新先进封装技术平台――3D Matrix，预期未来将受益于封装价值量的提升。

长电科技推出的面向 Chiplet 小芯片的高密度多维异构集成技术平台 XDFOI?可实现TSV-less 技术，达到性能和成本的双重优势。该技术是一种以 2.5DTSV-less 为基本技术平台的封装技术，在线宽/线距可达到 2um/2um 的同时，还可以实现多层布线层、2D、2.5D和 3D 多种异构封装。相比 2.5D TSV封装，具有有效成本低、架构设计灵活，性能好与可靠性高的特点，可为 Chiplet 及异构封装提供解决方案。此外，长电科技还推出了无硅通孔扇出型晶圆级高密度封装技术，使用 StackedVIA 替代 TSV，可实现多层 RDL 再布线层，2/2μm 线宽间距，40μm 级窄凸块互联，多层芯片叠加，集成高带宽存储，集成无源元件等技术，未来，它还可以实现 1/1μm 高密度的线宽间距以及 20μm 极窄凸块互联。

长电科技 XDFOI 技术

通富微电与华天科技分别推出针对先进封装的技术平台，为先进封装提供新的解决方案。通富微电在高性能计算领域建成了国内顶级 2.5D/3D 封装平台(【【微信】】)，并且完成高层数再布线技术开发，同时可以为客户提供晶圆级和基板级 Chipet 封测解决方案。华天科技推出由 TSV、eSiFo、3D SiP 构成的最新先进封装技术平台――3D Matrix。其中 TSV 技术主要应用于影像传感器的封装，主要结构为 MVP、【【微信】】 和直孔的工艺，目前主推直孔工艺；3D SiP（eSinC）基于 eSiFO 结合 TSV 技术，该技术在硅基板上刻蚀形成凹槽，将不同芯片或元器件放入凹槽中，通过高密度 RDL 将芯片互连，形成扇出的 I/O 后制作 【【微信】】的方式实现垂直互连，可以将不同功能、不同种类和不同尺寸的器件实现 3D 方向高密度集成。

华天科技 3DMatrix 平台

四、应用场景：高性能计算（HPC）为主战场

高性能计算（HPC）通过聚合计算能力提供强大的计算性能，目的是以极高速度处理大量负载数据，如支持 ChatGPT 的应用等。

ChatGPT 是大数据+大模型+大算力的产物，每一代 GPT 模型的参数量高速增长，根据人工智能学家公众号数据，2019 年 2 月发布的 GPT-2 参数量为 15亿，2020 年 5 月发布的 ChatGPT 的前身 GPT-3，其参数量达到了 1750 亿（预训练数据量达 45TB，远远大于 GPT 2 的 40GB）。算力需求方面，训练 ChatGPT 所耗费的算力大概是3640PetaFLOPs per day，即用每秒能够运算一千万亿次的算力对模型进行训练，需要 3640天完成。随着科技巨头类 ChatGPT 项目入局，整体在算力提升、数据存储及数据传输端需求迭起。

Chiplet 助力服务器算力提升&性能优化

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ChatGPT如此爆火因为CEO是一个神人 chatgpt到底有多火

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随着Chatgpt运用在越来越多的方向上的本领征服了许多大学生，包括写文章，做视频，解数学题目。可谓是无所不会，无所不能。甚至对它进行一些考试测试，最后的成绩超过了70%的参与者。

拥有如此强大的能力，当然吸引了一大批人想要尝试。但用上真正的Chatgpt可不是简单的登陆网站那么简单，国内网络可是访问不了Chatgpt的。一些聪明人可以找到途径去使用Chatgpt，而另一些没有方法的人怎么办呢。这就出现了一系列国内可以用的Chatgpt仿货。

例如：chat.forchange 一个国内版Chatgpt

它在回答一些问题时还是挺靠谱的，比如我去问一道编程，它可以很快给出答案

但我去尝试一些更加智能的测试时，它的效果就不怎么好了

明显没有听从我的话，我一次次让他去记住一句话，它一直不去执行，可见记忆能力一般。最后差点给我气死。

另一个Chatgpt仿货是一个微信小程序：Chat中文。

它同样也能正常回答我的一些问题，而且有一定逻辑。

但值得一提的是，他只能问十个问题。在十个问题后就需要收费了（经典操作）。

还有很多很多仿货，有的一开始就收费，有的回答的答案完全没逻辑，有的则使用几次后就要充钱。总的来说，部分的chat仿货还是可以使用来解决一些问题的。但能用上真正的Chatgpt还是更好，功能更强大，回答更有用。

下面推荐一个福利给大家，限时优惠，先到先得