Chiplet 技术：突破摩尔定律，重塑芯片未来

在 1965 年，英特尔联合创始人戈登・摩尔提出了著名的 “摩尔定律”。半个多世纪以来，该定律一直是现代数字技术的基石，有力地推动了集成电路（IC）性能的提升和成本的降低。摩尔定律指出，半导体芯片上的晶体管数量大约每两年就会翻一番。长期以来，技术发展基本遵循着这一定律稳步前行。

然而，近年来情况发生了显著变化。芯片电路尺寸的缩小变得愈发困难，线宽如今已降至几纳米 (nm)。工程师们面临着诸多挑战，不仅要突破物理极限，还要应对更复杂的制造步骤和不断攀升的成本。而且，电路尺寸的缩小还导致良率降低，使得大规模生产可用芯片的难度大幅增加。此外，建造和运营半导体代工厂需要巨额资金和专业知识。因此，许多人认为摩尔定律难以继续有效。

摩尔定律的终结催生出了一项新的技术进步 —— 芯粒（Chiplet）。芯粒是执行特定功能的芯片（裸片）的一小部分，原本是单个大芯片的一部分。通过芯粒集成技术，多个芯粒可以组合成一个封装，进而构成一个完整的系统。

过去，所有芯片功能都必须构建在单个晶圆上，这就意味着，哪怕芯片的一部分出现缺陷，整个芯片都只能被丢弃。而有了芯粒技术，我们可以只使用 “良好芯片”，也就是 “已知良好芯片”（KGD），这极大地提高了制造良率和效率。

异构集成是一种允许将采用不同工艺制造、具有不同功能的不同芯片组合到单个芯片封装中的集成工艺。小芯粒对于混合和组合不同类型的电路尤为有效。例如，高性能计算部件可以采用最新的半导体工艺制造，而存储器和模拟部件则可以使用更传统、更具成本效益的技术来生产。这种平衡有助于在保持低成本的同时提高性能。

汽车行业对这种方法表现出了浓厚的兴趣。一些大型汽车制造商已开始运用这项技术开发未来汽车的片上系统 (SoC)，并计划在 2030 年后将其应用于量产汽车。Chiplet 的一大显著优势在于，它能够帮助制造商提升汽车半导体的性能和功能，更高效地提升 AI 计算和图形处理能力，同时提高产量。

一些汽车部件需要满足严格的安全标准，这些部件被称为功能安全部件，通常使用更老、更成熟的半导体。但像高级驾驶辅助系统 (ADAS) 和软件定义汽车 (SDV) 这样的现代系统则需要更强大的芯片。这正是 Chiplet 技术发挥作用的地方。借助 Chiplet，制造商可以通过将用于功能安全部件的微型计算机、大容量内存和用于自动驾驶的强大 AI 处理器相结合，更快地根据每家汽车制造商的需求定制 SoC。

这些优势并非仅局限于汽车应用领域。Chiplet 技术也正在向人工智能和电信等其他领域拓展，推动着众多行业的创新发展。Chiplet 技术正迅速普及，逐渐成为未来半导体行业的关键技术。

芯粒集成依赖于一种能够以紧凑且高速的方式连接多个芯片的技术，而中介层则是实现这一目标的关键组件。中介层是一个通常由硅制成的中间层，位于芯片下方，像电路板一样连接芯片，帮助芯片之间相互通信。中介层性能越好，芯片之间的连接就越紧密，它们交换电信号的速度也就越快。

先进的芯粒集成技术在高效供电方面也发挥着重要作用。在芯片之间添加许多微小的金属连接点，即使在狭小的空间内，也能为电流和数据传输提供足够的路径。这不仅能实现高速数据传输，还能充分利用芯片封装内的有限空间。

如今，芯粒集成的主流方法是 2.5D 集成，即将多个芯片放入单个封装中。但下一个重大进展是 3D 集成，这是一种将芯片垂直堆叠的技术。在 2.5D 结构中，芯片并排排列在中介层上，以实现高密度连接。相比之下，3D 集成使用一种称为硅通孔 (TSV) 的技术垂直堆叠芯片，从而实现更高的集成度。

通过将灵活的芯片设计（将不同功能和电路类型分离）与 3D 集成相结合，工程师可以构建更快、更小、更节能的半导体。将内存和处理单元直接堆叠在一起，可以实现对大量数据的高速访问，这对于快速执行人工智能和其他高性能流程非常有利。

另一方面，垂直堆叠芯片也带来了新的挑战。热量更容易积聚，因此热管理和保持高制造良率变得更加困难。为了克服这些问题，世界各地的研究人员正在积极研究先进封装技术的新方法，以更好地应对热挑战。但这并没有减缓创新的步伐。芯粒与 3D 集成的结合如今被视为一项颠覆性的创新，它有可能取代摩尔定律，引领半导体发展的下一个时代。