中國半導體破局之路

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2000年-2010年，中國半導體產業坐了10年冷板凳。2014年之前，互聯網的黃金年代，卻是半導體的冬天。

十年一個週期，中國半導體產業的融資額已經登上萬億台階，繁榮背後泡沫也是肉眼可見。並且國際局勢風雲變幻和地緣政治問題明顯，卡脖子問題也日益突出。

從“冬天”再到“冬天”，過去十年，中國芯片半導體剛好經歷了一個完整的週期，當寒冬再次來臨，如何穿越週期，成為一個關鍵的命題。

（正文）

01

國內外芯片行業波詭雲譎

全球芯片格局正在發生前所未有的大變革。

美國《芯片和科學法案》的簽署，將半導體產業鏈的明爭暗鬥推向高潮，韓國、歐盟等國家和地區都在加速建立自己半導體壁壘。美國《芯片和科學法案》明確規定，未來將為美國半導體研發、製造以及勞動力發展提供 527 億美元補貼，同時限制相關企業 10 年內不得在中國增產 28nm 以下級別先進製程芯片。

2月份，歐盟對芯片行業追加150億歐元投資，以提高芯片產能，減少對亞洲芯片進口的依賴；8月初，韓國正式實施《國家尖端戰略產業法》，加強扶持半導體產業，同時三星、SK海力士等科技公司承諾向韓國本土投資340萬億韓元（約2600億美元）。

8 月 12 日，美國商務部工業和安全局（BIS）在聯邦公報上發佈了一項臨時最終規定，將 4 項“新興和基礎技術”加入出口管制清單，其中 3 項涉及半導體，幷包括芯片設計中最上游、最高端的產業 EDA。

這 4 項技術是 42 個參與國在 2021 年 12 月會議上達成共識控制的項目之一，具體包括：

• 兩種超寬帶隙基板半導體材料氧化鎵（Ga2O3）和金剛石

• 設計 GAAFET 架構（全柵場效應晶體管）的先進芯片 EDA 軟件工具

• 用於燃氣渦輪發動機的壓力增益燃燒技術

這 4 項技術中，最受外界關注的當屬 EDA 軟件。EDA 是電子設計的基石產業，也被行業內稱為“芯片之母”。

美國商務部表示，此次管控的四項新興和基礎技術，使用其都將“顯著增加軍事潛力”。而列入該清單意味着，這四種技術的出口將需要向美國商務部申請出口許可。如果企業申請出口許可但美國政府不允許的話，上述技術可能無法在全球產業鏈中進行供應。

世界半導體投資風雲變幻，中國內地也不平靜。參考筆者之前的文章： 半導體行業大地震 。

中國半導體產業過去十年取得了長足的進步，從2010年前後的投資萌芽，到2014年逐步升温，再到2019年之後的快速繁榮。如今，隨着“寒潮”來臨，又將進入回調轉型的新階段。

世界局勢風雲變幻，地緣政治日益突出，站在複雜多變的今天，半導體如何破局，成了很多行業者必須思考的問題。

筆者認為必須抓住兩個關鍵點：實現 IP架構和芯片製造工藝的突破。

第一 ： 芯片設計位於半導體產業的最上游，是半導體產業最核心的基礎，擁有極高的技術壁壘。 半導體知識產權的 集中體現是享有獨立知識產權的IP 核（Intellectual Property Core）。開源的RISC-V為中國芯片產業帶來更多想象空間， 基於RISC-V的處理器 IP 將會大放異彩 。

第二 ： 美國對於芯片“脱鈎斷鏈”的推動，直接導致國內在芯片製程的關鍵節點受到限制， Chiplet 工藝技術或將成為芯片性能突破的關鍵 。 未來，芯片半導體的機遇主要集中在以Chiplet為主的新結構和新封裝技術，產業鏈的上游半導體設備和材料上。

02

RISC-V IP架構異軍突起

什麼是IP？

IP是芯片設計環節中逐步分離出來的、經過驗證的、可重複使用的功能模塊， 通過使用IP核，設計人員無需從0開始對所有細節進行重新設計，而是藉助特定的IP核經調整後快速完成某個模塊的設計， 以縮短開發週期，降低設計成本，降低設計錯誤發生的風險，提高芯片設計效率。

如果打開一顆芯片，我們能看到版圖上很多個IP組成了整個電路。這些集成電路IP核在芯片設計中看得到摸得着，也能夠完成一定功能，更重要的是可以通過授權不同客户實現複用。如果做一個比喻，那IP就是組成芯片設計的“樂高”模塊。

當我們要設計一款微處理器芯片時，需要先確定使用何種指令架構，然後再根據指令架構設計芯片和微處理器，最後流片生產。

芯片設計有三種不同的模式 ：

• 封閉設計 。Intel X86系統架構是由自己公司引領的

• 其他公司如果需要使用其指令集設計微處理器，則需要專利付費授權

• 從系統架構到芯片製造都是 英特爾自己維護， 屬於完全封閉的設計

• 專利設計。 Arm賣專利不賣芯片

• Arm提供微處理器的設計，將IP授權給高通、蘋果、華為等公司，後者基於ARM指令集設計自己的芯片

• 還有一些公司用ARM設計好的IP做自己的SoC生產或代工芯片

• 自由開放設計 。開源的RISC-V屬於第三種模式

• 任何人都可以使用這一套指令集，基於RISC-V做好設計然後賣專利，SiFive就是這樣的模式

• 另外一些公司，如西部數據則是基於RISC-V開源指令集自研芯片，然後加工生產

PC時代盛行封閉設計模式，移動手機時代，專利模式當道。如今， RISC-V開創了新的自由設計模式。

上世紀 80年代是芯片競爭最為精彩激烈的時代，眾多不同計算機芯片架構的蓬勃發展，百花齊放。 在處理器發展的幾十年歷史中，各種處理器架構曾層出不窮、百花齊放過。但經過近30年產業的大浪淘沙，其他的處理器架構逐步被遺忘在歷史博物館，目前只留下X86和ARM兩大強勢處理器架構。

天下苦ARM久矣，眼看着曾經移動、桌面、服務器三分天下的局面就要變成ARM一統江湖，這促使更多的公司考慮 RISC-V，這對 RISC-V 而言意義重大。這是 自80年代以來芯片架構多樣性消 失之後，再次推動架構多樣性 的好機會。

RISC-V自面世以來，就受到了行業很多的關注。 不同於過去x86、ARM等國外商業公司壟斷的私有指令集架構，RISC-V最大的特點是——“ 開放標準化 ”，這種開放性，在CPU領域是徹底的第一次，也是CPU技術變革的一次絕佳機遇。

RISC-V首席技術官Mark Himelstein説：RISC-V是一種開放的硬件，開放源代碼的硬件指令集體系結構：

• RISC-V是完全開源的，任何人都可以免費使用

• RISC-V架構本身開源，但基於RISC-V架構開發的CPU IP核是收費的

• 類似於開源的Linux與收費的Redhat Linux一樣， 商業的RISC-V IP核可以提供比開源核更好的穩定性、發展連續性、售後服務

• 一種精簡的指令集計算機（RISC）架構

• 只有47條指令

• 相比之下，Arm有200多條指令

• AMD和Intel使用的複雜指令集計算機（CISC）架構遠超過1500條指令

• 可擴展性

• 模塊化設計，只配置需要的部分嚴格規定兼容性

• Engineer可以添加自己的指令集

• 可用於DSA(特定域的加速度)

從競爭性角度看，Arm架構和x86架構分別在移動終端、PC和服務器市場壟斷多年，在這些領域RISC-V新玩家滲透進去還非常需要時日。但是在AIoT、新能源汽車電子、異構計算等新興領域，RISC-V和其他架構站在同一起跑線，反而具備一些巨頭們不具備的新起跑優勢。

當前 市場整合、地緣政治 優先事項和 物聯網終端的激增 ，正大力推動RISC-V得到更廣泛地採用。 近期，RISC-V國際基金會的首席執行官卡利斯塔·雷德蒙德表示，估計市場上已經有100億個RISC-V核心。從2010年誕生至今，RISC-V用12年左右的時間實現100億核心數的出貨量，展現了作為新架構的生命力。

03

RISC-V 留給中國的窗口期

鑑 於國家之間的地緣政治或貿易緊張局勢可能會對國家的技術主權產生不利影響。歐盟和中國正着眼於通過RISC-V推動計算技術主權。

在俄羅斯 ，服務器製造商Yadro、芯片設計公司Syntacore與技術投資公司Rostec達成合作，致力於構建基於RISC-V的新CPU， 產品路線圖包括具有四個RISC-V內核（時鐘頻率為1.5GHz）的12nm SoC。

軟件生態方面，RISC-V生態也是迅猛發展 ，從各種主流的編程語言（如C、C++、Golang），到主流的GCC、LLVM等編譯系統，到Linux與各種RTOS操作系統內核，到Ubuntu、Debian等常見的操作系統發行版，以及容器Docker等應用軟件等等。

目前，除了各種算法庫優化支持、Android生態以及服務器生態RISC-V還相對較弱外，其餘的軟件生態基本可以滿足開發應用的需要。RISC-V花了差不多5年的時間完成了ARM過去花了二十年積累的軟件生態（1990 - 2010），就連近期曾經著名的CPU廠商MIPS公司也宣佈放棄MIPS架構轉而支持蓬勃發展的RISC-V架構。

中國也在大力投資構建RISC-V處理器的軟件生態，中科院軟件研究所宣佈正專注於針對RISC-V處理器移植和優化Linux發行版。需要我們注意的是， RISC-V留給中國的機會窗口時間並不長 ，我們應該集中力量加速RISC-V企業發展。

04

Chiplet，後摩爾時代理想解決方案

長期以來，芯片算力和效益的提升在摩爾定律的指導下是通過砸錢就能實現的。但如今隨着摩爾定律的效率下降，芯片算力和效益對應的成本開始快速增長。

一方面，隨着先進製程的發展，芯片的設計成本、複雜度大幅提升；另一方面，隨着整個社會數字化、智能化程度的提升，大數據、消費電子、自動駕駛等需求正日趨多樣，芯片創新週期不斷壓縮，市場對定製化芯片的需求也在大幅提升。在先進製程不斷升級，摩爾定律愈發難以為繼的背景下，Chiplet宛如一場“及時雨”。

相較於以往的常規工藝，Chiplet主要帶來兩方面的改變：

• 一個是解決內存帶寬跟不上處理器速度提升的問題，即“內存牆”問題

• 另一個則是提高良率。基於晶圓級的先進封裝走線密度短，信號傳輸速率有很大提升空間，還能大大提高互連密度

總結一句話就是：將大的SoC芯片切分成多個小芯片，甚至芯粒（Chiplet），然後使用先進的封裝技術將它們連接在一起。

什麼是 Chiplet 工藝？

Chiplet 俗稱芯粒，又名小芯片組。它是將一類滿足特定功能的 die，通過 die-to-die內部互聯技術實現多個模塊芯片與底層基礎芯片封裝在一起，進而形成一個系統芯片。Chiplet 工藝的出現，延緩了摩爾定律失效、放緩工藝進程時間，是後摩爾時代芯片性能升級的理想解決方案。

Chiplet 是後摩爾時代提高集成度和芯片算力的重要途徑

目前，市面上主流技術為 SoC是將多個負責不同功能的電路塊通過光刻的形式，製作到同一片芯片 die 上，主要集成了 CPU、GPU、DSP、ISP 等不同功能的計算單元和諸多的接口 IP，對先進的納米工藝存在較高依賴。

相比SoC， Chiplet最核心的優勢在於成本 ，包括製造成本與設計成本：

• 首先，在巨大算力需求下，芯片晶體管數量暴增，芯片面積也不斷擴大。Chiplet設計把大芯片分成面積更小的芯片，從而有效改善良率，減少不良率導致的成本增加

• 其次，SoC芯片的邏輯計算單元依賴先進製程來提高性能，其他部分通常可使用成本更低的成熟製程，SoC芯片Chiplet化之後，不同芯粒可以根據需要來選擇合適的工藝製程分開製造，再通過先進封裝技術進行組裝，從而有效降低製造成本

Chiplet 技術是 SoC 集成發展到後摩爾時代後，持續提高集成度和芯片算力的重要途徑。與傳統 SoC 對比來看，Chiplet 在功耗、上市週期以及成本等方面具有明顯優勢，能夠有效解決納米工藝物理極限所帶來的限制。

05

Chiplet引領封裝行業新機遇

近年來芯片性能的提升主要是在芯片級。為了應對先進製程遇到的問題，產業界希望從單純依靠縮小晶體管特徵尺寸來提高集成度的傳統方式，轉變到通過成本相對可控的系統級設計，達到和晶體管特徵尺寸繼續縮小相近的系統級性能。這便是Chiplet、2.5/3D先進封裝等技術。

堅持Chiplet、先進封裝的代表人物，便是人稱“蔣爸”的台積電前COO蔣尚義；堅持先進製程的，則是現任中芯國際聯合首席執行官的梁孟松。

蔣尚義在“萬字自述”中，講述了他看好先進封裝的原因，“圖形芯片巨頭英偉達是我們客户，他們之前有一個GPU搭配8個DRAM。你需要在GPU和DRAM之間來回發送很多信號。如果你看一下這個GPU和DRAM，它們之間的差距是如此之大。為什麼它們隔得那麼遠？因為金屬線很寬。如果離得太近，你無法把所有這些金屬線相連。正因為如此，人們願意付出大約30%的速度和大約60%的功耗去驅動（driving）這些線。”蔣尚義舉例稱。他同時表示，如果用硅片代替一塊PCB，就可以將GPU和DRAM並排放置，這樣其性能就會很像在同一個硅片上一樣。

功能、連接、堆疊的多樣化是先進封裝的發展方向，Bumping、TSV、RDL、Interposer等連接與延展技術作為支撐，而封裝形態向2.5D/3D、多裸晶/異質集成演變，是實現Chiplet的重要支撐。

2022年3月，Chiplet 高速互聯標準——UCLE（Universal Chiplet Interconnect Express）正式推出。該項標準旨在芯片封裝層面建立全球統一的互聯互通標準，進而打造開放的 Chiplet 生態系統，共同執行 Chiplet 規範化標準。

UCLE 將為 Chiplet 制定多種先進封裝技術，其中包括了由 Intel 主導的 EMIB 和台積電主導的 CoWoS 兩項 2.5D封裝技術。截止目前，國內包括芯原股份、摩爾精英、芯動科技、阿里巴巴等在內的眾多廠商已陸續加入到 UCLE 聯盟當中，直接受益於相關技術標準。隨着國內廠商積極融入 UCLE 生態體系，將有望在 Chiplet 工藝領域實現新的突破。

目前可應用於Chiplet的封裝解決方案主要是SIP、2.5D和3D封裝。2.5D更接近兩層小洋房，3D則是大廈的形態，空間利用效率更高。

• 2.5D封裝技術發展已經非常成熟，並且已廣泛應用於FPGA、CPU、GPU等芯片當中

• 3D封裝技術難度更高，目前由英特爾和台積電掌握並商用

對於產業鏈而言，目前2.5D的Chiplet實現方式主要利好封裝企業：

• 如過去給AMD封裝的通富微電（002156.SZ），價值量相比傳統封裝翻倍，毛利率也更高

• 其次是載板企業，如興森科技（002436.SZ），目前Chiplet的2.5D工藝成品芯片面積較大、片上通信要求較高，對於載板的層數、面積需求增加，興森的ABF載板產線後續能得到比較大的訂單支持

• 然後是封測設備公司，如華峯測控（688200.SH）等

隨着底層封裝技術不斷突破，預計 2035 年全球 Chiplet 芯片市場規模有望達到 570億美元。目前，支持 Chiplet 的底層封裝技術已由 2D 技術逐步發展至 3D 技術，經濟效益、整體性能等方面均獲得了明顯提升。

根據 Omdia 數據顯示，2024 年全球 Chiplet 芯片市場規模將達到 58 億元，2035年全球市場規模有望突破 570 億美元。參考 2018 年的 6.45 億美元，2018-2035 年 CAGR高達 30.16%。

在“摩爾定律”日趨放緩的背景下， Chiplet 工藝有望成為芯片廠商未來較長一段時間內的主要依賴手段 ，同時隨着支持 Chiplet 的底層封裝技術不斷突破和普及，將進一步支撐其未來成長。

06

寫在最後

IP 架構方面：

雖然在多個廠商的推動下，RISC-V取得了長足發展。 但從過往的歷史看來， 任何一款架構的普及都需要時間 。

如PC時代的x86架構統治了指令集架構市場幾十年，後PC時代才迎來Arm架構的崛起，Arm也用了幾十年，才走上了巔峯。 換而言之，計算負載的變遷需要經過一個長時間的生命週期。也就是説我們現在雖然已經進入了萬物互聯時 代，給RISC-V創造了機會，但這個新興指令集來説，也只是邁出了第一步。

Chiplet工藝方面：

對Chiplet而言，有一個不容忽視的關鍵點，即它的出現源自先進製程的發展遭遇瓶頸。相較不計成本地探索新工藝、新材料，Chiplet打開了一種新的思路，它不僅能降低芯片的開發成本，還能更好地把控良率。

Chiplet由多個芯片異構集成，每個芯片只需使用最合適的工藝節點，而非所有芯片都使用最先進的工藝節點，這就能更有效地利用國內已有的晶圓廠產線，降低先進工藝節點封鎖帶來的阻力，為國內半導體行業的側面突圍提供了一個非常好的機遇。

Chiplet是一個方向，而非具體的技術，它可以使用多種封裝技術來實現，對國內半導體產業而言， 在先進製程發展受限的情況下，Chiple t帶來的最大意義在於以時間換空間 。對中國來説，發展Chiplet的好處有很多。從底層邏輯上講，是在性能、製造成本、時間成本之間找平衡。

筆者堅信，隨着基於RISC-V架構 IP 的推廣以及在Chiplet工藝突破，中國芯片迎來發展的黃金十年，定會走出一條自己的破局之路。

（正文完）

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