Chiplet：芯片異構在制造層面的效率優(yōu)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(tǒng)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(yè)的發(fā)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(yè)鏈在生產效率優(yōu)化需求下的必然選擇。

Chiplet 的基礎：異構與高速互聯(lián)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(zhí)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)的異構、集成程度越來越高為了便于理解產業(yè)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(fā)，本報告將首先理清計算機體系結構的一個重要發(fā)展思路——異構計算。

如同現代經濟系統(tǒng)一樣，現代經濟系統(tǒng)為了追求更高的產出效率，產生了極為龐大且復雜的產業(yè)分工體系，計算機系統(tǒng)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(zhí)行，這就是計算機系統(tǒng)（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(fā)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(yè)界的解決

芯片的工作是執(zhí)行指令，處理數據，芯片間的互聯(lián)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(lián)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(fā)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(lián)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(lián)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(lián)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(yè)仍擁有話語權；因此，Chiplet 技術短期內并不會給行業(yè)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(yè)生態(tài)。同時，由于 Chiplet 在設計、制造、封裝等多個環(huán)節(jié)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(huán)節(jié)的效率優(yōu)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(yè)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(chuàng)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(yè)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(huán)節(jié)的效率，以及對 EDA、IC 設計等行業(yè)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(yōu)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?？梢赃x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(guī)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(huán)節(jié)，可以降低設計的復雜度和設計成本，提高產品迭代速度。

盡管在總的制造成本上有所優(yōu)化，但由于先進封裝在 Chiplet 制造過程中扮演了更加重要的角色，因此封測企業(yè)或將在 Chiplet 趨勢下深度受益。

Chiplet 的封裝：核心是實現高速互聯(lián)

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(lián)，同時兼顧多芯片互聯(lián)后的重新布線。

因此，UCIE 聯(lián)盟在具體的封裝方式上未對成員做出嚴格限制，根據 UCIE 聯(lián)盟發(fā)布的 Chiplet 白皮書，UCIE 聯(lián)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 FOCoS-B 方案。

目前而言，臺積電憑借其在晶圓代工領域的優(yōu)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(lián)，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(wěn)定性、普適性也將深刻影響其長期的發(fā)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(yè)鏈內仍然未實現統(tǒng)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(lián)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(tǒng)（SoIC InFO-3D），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。

2.5D 方面，臺積電提供包含 CoWoS 及 InFO 兩種大方案。其中，CoWoS 包含CoWoS-S、CoWoS-R 及 CoWoS-L 三種封裝方式。

? CoWoS-S 采用硅中介層，利用硅片作為中介層連接小芯片。與其他方案相比，大面積硅片作為中介層的方案可提供更高密度的芯片互聯(lián)，但價格上也更貴。

? CoWoS-R 使用有機轉接板以降低成本，其封裝方案與部分封測廠提供的方式一致，有機轉接板可實現的互聯(lián)密度更低。

? CoWoS-L 使用插入有機轉接板中的小硅“橋”，僅在芯片互聯(lián)部分使用硅片，用于相鄰芯片邊緣之間的高密度互連。

這種實現互聯(lián)方式在成本和性能上處于 CoWoS-R 和 CoWoS-S 之間。InFO 方面，臺積電在臨時載體上精確（面朝下）放置后，芯片被封裝在環(huán)氧樹脂“晶圓”中，再分布互連層被添加到重建的晶圓表面，將封裝凸塊直接連接到再分配層，主要包括 InFO_PoP（主要用于移動平臺）、InFO_oS（主要用于 HPC 客戶）及 InFO_B（InFO_PoP 的替代方案）三種拓撲。

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(tǒng)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(yè)布局

三星由1990年起開啟封裝技術研發(fā)，目前通過 SiP 實現高端封裝技術演進，主要技術趨勢匯總如下：

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(fā)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(tǒng)中的內存帶寬瓶頸挑戰(zhàn)。與使用硅中介層的 2.5D 封裝相比，FOCoS-B 的優(yōu)勢在于只需要將兩個小芯片連接在一起的區(qū)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(xù)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(yōu)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(chuàng)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(guī)則成為現實，有別于傳統(tǒng)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(yè)等重要領域擁有行業(yè)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(yōu)勢，并實現規(guī)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(tǒng)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(chuàng)新集成技術，以開發(fā)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(guī)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(jié)距凸塊互聯(lián)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(yī)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(lián)，以及多層芯片疊加。

此外，XDFOI 技術所運用的極窄節(jié)距凸塊互聯(lián)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(yōu)勢可為芯片異構集成提供高性價比、高集成度、高密度互聯(lián)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(jié)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(jié)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(yè)龍頭，先進封裝耕耘優(yōu)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(yè)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(guī)模生產 Chiplet 產品，工藝節(jié)點方面 7nm 產品實現量產，5nm 產品完成研發(fā)。

受益于公司在封測技術方面的持續(xù)耕耘，目前公司與 AMD、NXP、TI、英飛凌、ST、聯(lián)發(fā)科、展銳、韋爾股份、兆易創(chuàng)新、長鑫存儲、長江存儲、集創(chuàng)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(yè)務規(guī)模增長超 100%。不斷保穩(wěn)業(yè)務壓艙石。

深度綁定 AMD，“合資+合作”強強聯(lián)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(yōu)質大客戶深度合作發(fā)揮協(xié)同效應，進一步增強公司業(yè)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(yè)務。

2020 年起公司業(yè)績放量迅速。

2015-2021 年間，通富微電營業(yè)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(xù)了 2020 年的強勁增長態(tài)勢。

我們認為，公司營收及凈利潤業(yè)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(tài)勢；（2）與 AMD 建立緊密戰(zhàn)略合作關系，充分發(fā)揮協(xié)同效應增強業(yè)績確定性；（3）先進封裝方面，公司大規(guī)模生產 Chiplet 產品，7nm 產品已大規(guī)模量產，進一步擴大利潤空間。

AMD 業(yè)績高增&下半年 Zen4 推出，通富微電將核心受益。

FY2020-2022H1，AMD 營業(yè)收入規(guī)模快速擴張，FY2021 達到 1046.71 億元，同比+68.33%，且 2022H1 延續(xù)了高增態(tài)勢，營業(yè)收入合計 833.28 億元，超出2020年全年業(yè)績。2022 年秋季，AMD 將發(fā)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(yè)績放量。

前瞻布局全產業(yè)鏈，一站式服務涵蓋齊全封裝類型。

通富微電封裝業(yè)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(yè)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(lián)網、工業(yè)智造等領域。

在公司前瞻布局全產業(yè)鏈下，各領域業(yè)務進展順利：

（1）高性能計算方面，公司與 AMD 強強聯(lián)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(zhàn)略合作伙伴，已大規(guī)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(yōu)勢；

（4）MCU 方面，公司與海外及國內知名 MCU 芯片公司長期穩(wěn)定合作，業(yè)務規(guī)模持續(xù)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(yè)務即將進入爆發(fā)期；

（6）5G 方面，公司持續(xù)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(yè)務將持續(xù)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(yōu)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(fā)平臺，完成高層數再布線技術開發(fā)。

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(huán)氧模型樹脂維持。

此外，通富微電積極布局其他封裝技術研發(fā)項目，在高性能計算、5G 應用及汽車電子等領域持續(xù)深耕，將為未來發(fā)展注入新動能

審核編輯 ：李倩