Chiplet：芯片異構在制造層面的效率優化

實際上，Chiplet 最初的概念原型出自 Gordon Moore 1965 年的論文《Cramming more components onto integrated circuits》；Gordon Moore 在本文中不僅提出了著名的摩爾 定律，同時也指出“用較小的功能構建大型系統更為經濟，這些功能是單獨封裝和相互 連接的”。2015 年，Marvell 周秀文博士在 ISSCC 會議上提出 MoChi（Modular Chip， 模塊化芯片）概念，為 Chiplet 的出現埋下伏筆。我們認為，現代信息技術產業的發展 不是探索未知的過程，而是需求驅動技術升級，Chiplet 技術的出現是產業鏈在生產效 率優化需求下的必然選擇。

Chiplet 的基礎：異構與高速互聯共同塑造的里程碑

計算機能夠根據一系列指令指示并且自動執行任意算術或邏輯操作串行的設備。日常生 活中，我們所使用的任何電子系統都可以看作一個計算機，如：電腦、手機、平板乃至 微波爐、遙控器等都包含了計算機系統作為核心控制設備。

Chiplet 出現離不開兩個大的 趨勢： ?

1）計算機系統的異構、集成程度越來越高

? 為了便于理解產業界為何一定要選擇 Chiplet，本報告從計算機體系結構的角度出發，本 報告將首先理清計算機體系結構的一個重要發展思路——異構計算。如同現代經濟系統 一樣，現代經濟系統為了追求更高的產出效率，產生了極為龐大且復雜的產業分工體系， 計算機系統的再分工就是異構計算。GPU、DPU 的出現就是為了彌補 CPU 在圖形計 算、數據處理等方面的不足，讓 CPU 能夠專注于邏輯的判斷與執行，這就是計算機系 統（System）。精細化的分工也使得整個體系變得龐大，小型計算設備中只能將不同的 芯片集成到一顆芯片上，組成了 SoC（System on Chip）。 ?

伴隨著計算機在人類現代生活中承擔越來越多的處理工作，計算機體系結構的異構趨勢 會愈發明顯，需要的芯片面積也會越來越大，同時也需要如電源管理 IC 等芯片與邏輯 芯片異質集成，而 SoC 作為一顆單獨的芯片，其面積和加工方式卻是受限的，所以 SoC 并不是異構的終極解決方案。

? 2）芯片間的數據通路帶寬、延遲問題得到了產業界的解決

芯片的工作是執行指令，處理數據，芯片間的互聯需要巨大的帶寬和超低的延時。既然 單顆芯片的面積不能無限增加，將一顆芯片拆解為多顆芯片，分開制造再封裝到一起是 一個很自然的想法。芯片間的互聯需要構建強大的數據通路，即超高的頻率、超大的帶 寬、超低的延時，以臺積電 CoWoS 技術為代表的先進封裝技術也使之得到了解決。 ? 2022 年 3 月，Apple 發布了 M1 Ultra 芯片，其采用了 UltraFusion 封裝架構，通過兩 枚 M1 Max 晶粒的內部互連。架構上，M1 Ultra 采用了 20 核中央處理器，由 16 個高 性能核心和 4 個高能效核心組成。與市面上功耗范圍相近的 16 核 CPU 芯片相比，M1 Ultra 的性能高出 90%。兩顆 M1 Max 的高速互聯是蘋果芯片實現領先的關鍵，蘋果的 UltraFusion 架構利用硅中介層來連接多枚芯片，可同時傳輸超過 10,000 個信號，從 而實現高達 2.5TB/s 低延遲處理器互聯帶寬。 AMD 為緩解“存儲墻”問題，在其 Zen 3 架構的銳龍 7 5800X3D 臺式處理器率先采用 3D 堆疊 L3 高速緩存，使 CPU 可訪問高達 96MB L3 級高速緩存，大幅提升芯片運算 效率。 ?

3）異構集成+高速互聯塑造了 Chiplet 這一芯片屆的里程碑

綜上，Chiplet 本身并非技術突破，而是多項技術迭代進步所共同塑造的里程碑，芯片龍 頭企業仍擁有話語權；因此，Chiplet 技術短期內并不會給行業帶來太多直接的影響和 變化，但長期來看必將改變全球集成電路行業生態。同時，由于 Chiplet 在設計、制造、 封裝等多個環節具備成熟的技術支撐，其推進也將十分迅速。 ?

Chiplet 的需求：設計、生產環節的效率優化

技術服務于需求，Chiplet 的出現，緩解了算力對晶體管數量的依賴與晶圓制造端瓶頸 的矛盾。如前文所言，導致 Chiplet 技術出現的需求決定了它對行業產生的影響大小。隨著現代數據處理任務對算力需求的不斷提高，本質上，算力提升的核心是晶體管數量 的增加。作為 Intel 的創始人之一，Gordon Moore 在最初的模型中就指明，無論是從技 術的角度還是成本的角度來看，單一芯片上的晶體管數量不能無限增加；因此，業內在 致力于提升晶體管密度的同時，也在嘗試其他軟硬件方式來提高芯片運行效率，如：異 構計算、分布式運算等等。 ?

Chiplet 是異構計算的延申，主要解決了芯片制造層面的效率問題。隨著制程縮進，芯 片制造方面出現了兩個大的瓶頸：1）28nm 以后，高制程芯片的晶體管性價比不再提升；2）芯片設計費用大幅增長，先進制程芯片設計的沉沒成本高到不可接受。 ? 關于 Chiplet 如何提高設計、生產環節的效率，以及對 EDA、IC 設計等行業的影響，我 們在此前的報告《Chiplet 技術:成長新至,換道前行》中進行了深入的探討：（1）基于小 芯片的面積優勢，Chiplet 可以大幅提高大型芯片的良率、提升晶圓面積利用效率，降低 成本；（2）基于芯片組成的靈活性，將 SoC 進行 Chiplet 化之后，不同的核心/芯粒可以 選擇合適的工藝制程分開制造，然后再通過先進封裝技術進行封裝，不需要全部都采用 先進的制程在一塊晶圓上進行一體化制造，這樣可以極大的降低芯片的制造成本；（3） 基于小芯片 IP 的復用性和已驗證特性，將大規模的 SoC 按照不同的功能模塊分解為模 塊化的芯粒，減少重復的設計和驗證環節，可以降低設計的復雜度和設計成本，提高產 品迭代速度。 ?

Chiplet 的封裝：核心是實現高速互聯

? Chiplet 封裝領域，目前呈現出百花齊放的局面。Chiplet 的核心是實現芯片間的高速互 聯，同時兼顧多芯片互聯后的重新布線。因此，UCIE 聯盟在具體的封裝方式上未對成 員做出嚴格限制，根據 UCIE 聯盟發布的 Chiplet 白皮書，UCIE 聯盟支持了市面上主流 的四種封裝方式，分別為：1） 標準封裝：將芯片間的金屬連線埋入封裝基板中。2） 利用硅橋連接芯片，并將硅橋嵌入封裝基板中，如：Intel EMIB 方案。3） 使用硅中介層（Si Interposer）連接芯片并進行重新布線，再將硅中介層封裝到基 板上，如：臺積電 CoWoS 方案。4） 使用扇出型中介層進行重布線，僅在芯片連接處使用硅橋連接，如：日月光 FOCoSB 方案。 ? 目前而言，臺積電憑借其在晶圓代工領域的優勢，其 CoWoS 技術平臺已服務多家客戶， 也迭代了多個批次，初具雛形：臺積電 CoWoS 平臺的核心在于硅中介層，其生產主要 通過在硅片上刻蝕 TSV 通孔實現，技術難點主要實現高深寬比的通孔和高密度引腳的 對齊。Die 與 Interposer 生產好之后，交由封裝廠進行封裝。我們認為，Chiplet 在封裝層面的技術核心是作為芯片間的互聯，其能夠實現的芯片間 數據傳輸速度、延遲是技術競爭力的關鍵，同時方案的穩定性、普適性也將深刻影響其 長期的發展空間。 ?

全球格局：兩大陣營，群雄逐鹿

實現 Chiplet 所依靠的先進封裝技術在產業鏈內仍然未實現統一，主要分為晶圓廠陣營 和封裝廠陣營：晶圓廠陣營以硅片加工實現互聯為主，可提供更高速的連接和更好的拓 展性；封裝廠陣營則努力減少硅片加工需求，提出更有廉價、更有性價比的方案。

臺積電：整合 3DFabric 平臺，實現豐富拓撲結構組合

? 在 2.5D 和 3D 先進封裝技術方面，臺積電已將 2.5D 和 3D 先進封裝相關技術整合為 “3DFabric”平臺，由客戶自由選配，前段技術包含 3D 的整合芯片系統（SoIC InFO3D），后段組裝測試相關技術包含 2D/2.5D 的整合型扇出（InFO）以及 2.5D 的 CoWoS 系列家族。 ?

臺積電更先進的垂直芯片堆疊 3D 拓撲封裝系列被稱為“系統級集成芯片”（SoIC），利 用芯片之間的直接銅鍵合，具有更小間距。 ? 三星：3D IC 封裝方案強化 Chiplet 代工產業布局 ? 2020 年 8 月，三星公布了 X Cube 3D 封裝技術（全稱為 extended cube，意為拓展立 方體）。在芯片互連方面，使用了成熟的硅通孔 TSV 工藝。目前 X Cube 已經能把 SRAM 芯片堆疊在三星生產的 7nm EUV 工藝的邏輯芯片上，這樣可以更易于擴展 SRAM 的容 量，同時也縮短了信號連接距離，以提升數據傳輸的速度和提高能效。此后發布 I-Cube 將一個或多個邏輯 die 和多個 HBM die 水平放置在硅中介層，進行異構集成。 ?

日月光：FOCoS 方案力爭減硅，降低成本

? 日月光的 FOCoS 提供了一種用于實現小芯片集成的硅橋技術，稱為 FOCoS-B（橋）， 它利用帶有路由層的微小硅片作為小芯片之間的封裝內互連，例如圖形計算芯片 (GPU) 和高帶寬內存 (HBM)。硅橋嵌入在扇出 RDL 層中，是一種可以不使用硅中介層的 2.5D 封裝方案。FOCoS 的硅橋在封裝中提供超細間距互連，可以解決系統中的內存帶寬瓶 頸挑戰。與使用硅中介層的 2.5D 封裝相比，FOCoS-B 的優勢在于只需要將兩個小芯片 連接在一起的區域使用硅片，可大幅降低成本。 ? Amkor：深度布局 TSV-less 工藝 ? Amkor 方面，公司 2015 年推出 SLIM 及 SWIFT 解決方案；且持續進行技術布局，具 備 2.5D/3D TSV 封裝能力。 ? TSV-less 工藝可被用于建立先進 3D 結構。SLIM 及 SWIFT 方案均采用 TSV-less 工 藝，簡化了 2.5D TSV 硅中介層運用時 PECVD 及 CMP 工序。以 SWIFT（Silicon Wafer Integrated Fan-Out Technology）方案為例，方案采用 RDL first 技術，RDL 線寬線距能力≤2um，μbump pitch 40um，SWIFT 封裝可實現多芯片集成的 3D POP 封裝以及無需 TSV（TSV-Less）具有成本優勢的 HDFO 高密度扇出型 封裝，適用于高性能 CPU/GPU，FPGA，Mobile AP 以及 Mobile BB 等。3D SWIFT 的獨特特性要部分歸功于與此項創新晶圓級封裝技術相關的小間距功能。它 使應用積極主動的設計規則成為現實，有別于傳統的 WLFO 和基于層壓板的封裝，且 能夠被用于建立先進的 3D 結構，以應對新興移動和網絡應用中日益高漲的 IC 集成需 求。 ?

長電科技：國內封裝龍頭，TSV-less 路線引領

長電科技聚焦關鍵應用領域，在 5G 通信類、高性能計算、消費類、汽車和工業等重要 領域擁有行業領先的半導體先進封裝技術（如 SiP、WL-CSP、FC、eWLB、PiP、PoP 及 XDFOI 系列等）以及混合信號/射頻集成電路測試和資源優勢，并實現規模量產，能 夠為市場和客戶提供量身定制的技術解決方案。

? XDFOI 方案：TSV-less 路線實現高性價比 Chiplet 封裝

面向 Chiplet 異構集成應用推出 XDFOI 封裝解決方案，涵蓋 2D/2.5D/3D 集成技術。在 2.5/3D 集成技術領域，長電科技積極推動傳統封裝技術的突破，率先在晶圓級封裝、 倒裝芯片互連、TSV 等領域中采用多種創新集成技術，以開發差異化的解決方案。公司 于 2021 年 7 月推出了 XDFOI 全系列極高密度扇出型封裝解決方案，該技術是一種面 向 Chiplet 應用的極高密度、多扇出型封裝高密度異構集成解決方案，包括 2D/2.5D/3D 集成技術，能夠為客戶提供從常規密度到極高密度，從極小尺寸到極大尺寸的一站式服 務。 ? XDFOI 方案預計于 2022H2 實現量產，相比 2.5D TSV，XDFOI 具備更高性能、更高可 靠性以及更低成本等特性。XDFOI 為一種以 2.5D TSV-less 為基本技術平臺的封裝技 術，在設計上，該技術可實現 3-4 層高密度的走線，其線寬/線距最小可達 2μm，可實現多層布線層，另外，采用了極窄節距凸塊互聯技術，封裝尺寸大，可集成多顆芯片、高 帶寬內存和無源器件。長電科技已完成超高密度布線并開始客戶樣品流程，預計 2022H2 量產，重點應用領域為高性能運算如 FPGA、CPU/GPU、AI、5G、自動駕駛、智能醫 療等。長電科技的無硅通孔扇出型晶圓級高密度封裝技術，可在硅中介層（Si Interposer）中 使用堆疊通孔技術（Stacked VIA）替代 TSV 技術。該技術可以實現多層 RDL 再布線 層，2×2um 的線寬間距，40um 極窄凸塊互聯，以及多層芯片疊加。 ?

此外，XDFOI 技術所運用的極窄節距凸塊互聯技術，還能夠實現 44mm×44mm 的封 裝尺寸，并支持在其內部集成多顆芯片、高帶寬內存和無源器件。這些優勢可為芯片異 構集成提供高性價比、高集成度、高密度互聯和高可靠性的解決方案。 ? 先進封測技術涵蓋 4nm 制程，突破國內頂尖封裝工藝節點。長電科技 2022 年 7 月公 告在進封測技術領域取得新的突破，實現 4nm 工藝制程手機芯片的封裝，以及 CPU、 GPU 和射頻芯片的集成封裝。4nm 芯片作為先進硅節點技術，也是導入 Chiplet 封裝的 一部分，作為集成電路領域的頂尖科技產品之一，可被應用于智能手機、5G 通信、人 工智能、自動駕駛，以及包括 GPU、CPU、FPGA、ASIC 等產品在內的高性能計算領 域。 ?

通富微電：綁定 AMD，晶圓級封裝助力 Chiplet

全球封測行業龍頭，先進封裝耕耘優質客戶。通富微電成立于 1997 年，并于 2007 年 深交所上市，主要從事集成電路封裝測試一體化業務。2021 年全球 OSAT 中通富微電 位列第五，先進封裝方面位列第七。目前，公司技術布局進展順利，已開始大規模生產 Chiplet 產品，工藝節點方面 7nm 產品實現量產，5nm 產品完成研發。受益于公司在封 測技術方面的持續耕耘，目前公司與 AMD、NXP、TI、英飛凌、ST、聯發科、展銳、 韋爾股份、兆易創新、長鑫存儲、長江存儲、集創北方及其他國內外各細分領域頭部客 戶建立了良好的合作關系，2021 年，國內客戶業務規模增長超 100%。不斷保穩業務壓 艙石。 ? 深度綁定 AMD，“合資+合作”強強聯合。2016 年，通富微電收購 AMD 蘇州及 AMD 檳 城各 85%股權并完成交割，在江蘇蘇州、馬來西亞檳城擁有生產基地。目前，公司與 AMD 在高性能計算板塊形成深度綁定，已經建成國內高端處理器產品最大量產封測基 地，優質大客戶深度合作發揮協同效應，進一步增強公司業績確定性。同時，公司充分 利用通富超威蘇州和通富超威檳城的高端 CPU、GPU 量產封測平臺，積極承接國內外 客戶高端產品的封測業務。 ? 2020 年起公司業績放量迅速。2015-2021 年間，通富微電營業總收入從 23.22 億元上 升至 158.12 億元。其中，2016 年公司收購 AMD 蘇州、檳城股權并與 AMD 開展深度 合作，營收同比增長高達 97.75%。2020 年起，公司收入始終保持較高水平增長，2021年實現全年實現合計 158.12 億元，同比+46.84%；此外，2021 年公司實現歸母凈利潤 9.57 億元，同比+182.69%，延續了 2020 年的強勁增長態勢。我們認為，公司營收及凈利潤業績高增主要歸因于：（1）終端應用多點開花，高性能計 算、汽車電子、MCU 等市場均呈現向好態勢；（2）與 AMD 建立緊密戰略合作關系，充 分發揮協同效應增強業績確定性；（3）先進封裝方面，公司大規模生產 Chiplet 產品， 7nm 產品已大規模量產，進一步擴大利潤空間。 ?

AMD 業績高增&下半年 Zen4 推出，通富微電將核心受益。FY2020-2022H1，AMD 營 業收入規模快速擴張，FY2021 達到 1046.71 億元，同比+68.33%，且 2022H1 延續了 高增態勢，營業收入合計 833.28 億元，超出 2020 年全年業績。2022 年秋季，AMD 將 發布基于 Zen4 架構的 Ryzen 7000 系列處理器，我們預計新產品的推出將進一步推動 通富微電業績放量。 ? 前瞻布局全產業鏈，一站式服務涵蓋齊全封裝類型。通富微電封裝業務包含框架類封裝 （SOT,SOP,QFN,DFN,LQFP,TO,IPM 等）、基板類封裝（WBBGA，WBLGA，FCBGA， FCCSP,FCLGA 等）、圓片類封裝（Fan-in WLCSP，Fan-out WLCSP, Cu pillar bump, Solder bump, Gold bump 等）及 COG，COF 和 SIP 等，可廣泛應用于消費，工業和汽 車類產品，包括高性能計算、大數據存儲、網絡通訊、移動終端、車載電子、人工智能、 物聯網、工業智造等領域。在公司前瞻布局全產業鏈下，各領域業務進展順利：（1）高性能計算方面，公司與 AMD 強強聯合，目前已建成國內高端處理器產品最大量產封測基地；

（2）存儲器方面，公司與長江存儲、長鑫存儲結為戰略合作伙伴，已大規模生產存儲產品；（3）汽車電子、功 率 IC 方面，公司布局多年，擁有豐富的客戶資源和深厚的技術積累，具備強大的競爭 優勢；（4）MCU 方面，公司與海外及國內知名 MCU 芯片公司長期穩定合作，業務規模 持續高速增長；（5）顯示驅動芯片方面，公司率先布局，已導入國內外第一梯隊客戶， 業務即將進入爆發期；（6）5G 方面，公司持續以“先進封裝耕耘 SOC 大客戶，提高周 邊配套芯片客戶份額”為策略，相關業務將持續增長。積極開展 Chiplet、2.5D/3D 等頂尖封裝技術布局，構筑差異化競爭優勢。公司目前已 建成國內頂級 2.5D/3D 封裝平臺（VISionS）及超大尺寸 FCBGA 研發平臺，完成高層 數再布線技術開發。 ? 針對 Chiplet，通富微電提供晶圓級及基板級封裝兩種解決方案，其中晶圓級 TSV 技術 是 Chiplet 技術路徑的一個重要部分。WLP 晶圓級封裝大部分工藝是對晶圓進行整體 封裝，封裝完成后再進行切割分片。晶圓級封裝是通過芯片間共享基板的形式，將多個 裸片封裝在一起，主要用于高性能大芯片的封裝，利用次微米級硅中介層以 TSV 技術 將多個芯片整合于單一封裝中，能夠顯著降低材料成本，利用無載片技術，在芯片到晶 圓鍵合與縫隙填充之后，整個晶圓由于背側硅穿孔露出而進行覆蓋成型與翻轉，并直接 由環氧模型樹脂維持。

編輯：黃飛

?