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    1. 光大證券-半導體行業跟蹤報告之五:Chiplet,延續摩爾定律的新技術,芯片測試與先進封裝有望獲益-220808

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      日期:2022-08-09 06:10:39 研報出處:光大證券
      行業名稱:電子行業
      研報欄目:行業分析 劉凱  (PDF) 4 頁 372 KB 分享者:ae***i 推薦評級:買入
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      研究報告內容
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        Chiplet:延續摩爾定律的新技術,在摩爾定律日趨放緩的當下,有望延續摩爾定律的“經濟效益”。http://www.hibor.com.cn【慧博投研資訊】Chiplet又稱芯?;蛘咝⌒酒?,它是將一類滿足特定功能的die(裸片),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,形成一個系統芯片,以實現一種新形式的IP復用。http://www.hibor.com.cn(慧博投研資訊)目前,主流系統級單芯片(SoC)都是將多個負責不同類型計算任務的計算單元,通過光刻的形式制作到同一塊晶圓上。比如,目前旗艦級的智能手機的SoC芯片上,基本都集成了CPU、GPU、DSP、ISP、NPU、Modem等眾多的不同功能的計算單元,以及諸多的接口IP,其追求的是高度的集成化,利用先進制程對于所有的單元進行全面的提升。而Chiplet則與之相反,它是將原本一塊復雜的SoC芯片,從設計時就先按照不同的計算單元或功能單元對其進行分解,然后每個單元選擇最適合的半導體制程工藝進行分別制造,再通過先進封裝技術將各個單元彼此互聯,最終集成封裝為一個系統級芯片組。隨著芯片制程的演進,由于設計實現難度更高,流程更加復雜,芯片全流程設計成本大幅增加,“摩爾定律”日趨放緩。在此背景下,Chiplet被業界寄予厚望,或將從另一個維度來延續摩爾定律的“經濟效益”。

        Chiplet可以大幅提高大型芯片的良率。近年來,隨著高性能計算、AI等方面的巨大運算需求,集成更多功能單元和更大的片上存儲使得芯片不僅晶體管數量暴增,芯片面積也急劇增大。芯片良率與芯片面積有關,隨著芯片面積的增大而下降。一片晶圓能切割出的大芯片數量較少,而一個微小缺陷則可能直接使一顆大芯片報廢。Chiplet可將單一die面積做小以確保良率,并用高級封裝技術把不同的芯粒集成在一起。

        Chiplet有利于降低設計的復雜度和設計成本。Chiplet芯片一般采用先進的封裝工藝,將小芯片組合代替形成一個大的單片芯片。利用小芯片(具有相對低的面積開銷)的低工藝和高良率可以獲得有效降低成本開銷。除芯片流片制造成本外,研發成本也逐漸占據芯片成本的重要組成部分,通過采用已知合格裸片進行組合,可以有效縮短芯片的研發周期及節省研發投入。同時Chiplet芯片通常集成應用較為廣泛和成熟的芯片裸片,可以有效降低了Chiplet芯片的研制風險,從而減少重新流片及封裝的次數,有效節省成本。

        Chiplet有望降低芯片制造的成本。SoC中具有不同計算單元,以及SRAM、I/O接口、模擬或數?;旌显?。除了邏輯計算單元以外,其他元件并不依賴先進制程也通常能夠發揮很好的性能。所以,將SoC進行Chiplet化之后,不同的芯??梢愿鶕枰獊磉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組裝,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。以AMD為例,AMD第二代EPYC服務器處理器Ryzen采用小芯片設計,將先進的臺積電7nm工藝制造的CPU模塊與更成熟的格羅方德12/14nm工藝制造的I/O模塊組合,7nm可滿足高算力的需求,12/14nm則降低了制造成本。

        全球半導體芯片巨廠紛紛布局Chiplet,Chiplet未來市場空間廣闊。AMD、臺積電、英特爾、英偉達等芯片巨頭廠商嗅到了這個領域的市場機遇,近年來開始紛紛入局Chiplet。AMD最新幾代產品都極大受益于“SiP + Chiplet”的異構系統集成模式;另外,近日蘋果最新發布的M1 Ultra芯片也通過定制的UltraFusion封裝架構實現了超強的性能和功能水平,包括2.5TB/s的處理器間帶寬。在學術界,美國加州大學、喬治亞理工大學以及歐洲的研究機構近年也逐漸開始針對Chiplet技術涉及到的互連接口、封裝以及應用等問題開始展開研究。據Omdia報告,預計到2024年,Chiplet市場規模將達到58億美元,2035年則超過570億美元,市場規模將迎來快速增長。

        UCIe:實現Chiplet互聯標準的關鍵。隨著Chiplet逐步發展,未來來自不同廠商的芯粒之間的互聯需求持續提升。今年三月份出現的UCIe,即UniversalChiplet Interconnect Express,是一種由Intel、AMD、ARM、高通、三星、臺積電、日月光、Google Cloud、Meta和微軟等公司聯合推出的Die-to-Die互連標準,其主要目的是統一Chiplet(芯粒)之間的互連接口標準,打造一個開放性的Chiplet生態系統。UCIe在解決Chiplet標準化方面具有劃時代意義。

        借助UCIe平臺,未來有望實現更加完整的Chiplet生態系統。UCIe產業聯盟發布了涵蓋上述標準的UCIe1.0規范。UCIe聯盟在官網上公開表示,該聯盟需要更多半導體企業的加入,來打造更全面的Chiplet生態系統。同時,加盟的芯片企業越多,意味著該標準將得到更多的認可,也有機會被更廣泛的采用。UCIe標準出現的最大意義在于,巨頭們合力搭建起了統一的Chiplet互聯標準,這將加速推動開放的Chiplet平臺發展,并橫跨x86、Arm、RISC-V等架構和指令集。在UCIe標準下,未來或許能推出同時集成x86的Chiplet芯片和RISC-V的Chiplet芯片的處理器,并通過架構的混用同時滿足PC和移動應用生態的需求。

        先進封裝:將Chiplet真正結合在一起的關鍵。UCIe聯盟為Chiplet指定了多種先進封裝技術,包括英特爾EMIB、臺積電CoWoS、日月光FoCoS-B等。Chiplet雖然避免了超大尺寸die,但同時也意味著超大尺寸封裝,又高度融合晶圓后道工藝,更在封裝方面帶來了極限技術挑戰,如封裝加工精度和難度進一步加大,工藝窗口進一步變窄,通用設備比例降低,設備升級需求大等。除此之外,散熱和功率分配也是需要考慮的巨大問題。目前頭部的IDM廠商、晶圓代工廠以及封測企業都在積極推動不同類型的先進封裝技術,以搶占這塊市場。

        芯片測試:保證Chiplet良率,使Chiplet能夠正常運行,測試設備數量和性能都有更高需求。由于Chiplet中封裝了多個die,每一個die都不能失效才能保證Chiplet正常運轉。過去對于一些較低成本的芯片通常采取抽檢,但若采用Chiplet則需要全檢,以確保每一個die都能正常工作。在對異構集成進行測試時,一方面要確保組裝的裸晶功能完好,另一方面還要提高裸晶在系統中的自檢能力。不同于標準IP,Chiplet設計難度大幅增加,需要產業鏈上下游廠商協同設計,因此在測試方法上也更加復雜和困難。

        后摩爾時代,Chiplet給中國集成電路產業帶來了巨大發展機遇。首先,芯片設計環節能夠降低大規模芯片設計的門檻;其次半導體IP企業可以更大地發揮自身的價值,從半導體IP授權商升級為Chiplet供應商,在將IP價值擴大的同時,還有效降低了芯片客戶的設計成本,尤其可以幫助系統廠商、互聯網廠商這類缺乏芯片設計經驗和資源的企業,發展自己的芯片產品;最后,國內的芯片制造與封裝廠可以擴大自己的業務范圍,提升產線的利用率,尤其是在高端先進工藝技術發展受阻的時候,還可以通過為高端芯片提供基于其他工藝節點的Chiplet來參與前沿技術的發展。

        投資建議:Chiplet作為目前受到廣泛關注的新技術,給全球和中國的半導體市場帶來了變革與機遇,建議積極把握Chiplet技術帶來的投資機會,關注:(1)芯原股份:國內領先的一站式芯片定制服務和半導體IP授權服務的企業,利用Chiplet技術進行IP芯片化,有望給公司帶來全新商業模式;(2)通富微電:國內領先的封裝企業,在先進封裝方面公司已大規模生產Chiplet產品,7nm產品已大規模量產,5nm產品已完成研發即將量產;(3)長電科技:國內封裝測試龍頭企業,近年來重點發展系統級(SiP)、晶圓級和2.5D/3D等先進封裝技術,并實現大規模生產;(4)長川科技:國內領先的集成電路測試設備企業,Chiplet芯粒的測試與先進封裝將為公司帶來新機遇;(5)華峰測控:國內領先的集成電路測試設備企業,同樣受益于Chiplet芯粒測試與先進封裝帶來的機遇;(6)興森科技:國內IC封裝基板領先企業,在應用Chiplet技術的先進封裝材料領域有望持續拓展;(7)華大九天:Chiplet技術的應用需要EDA工具的全面支持,公司作為國內EDA龍頭,有望在Chiplet領域進行拓展。

        風險分析:Chiplet及配套技術發展不及預期,UCIe標準推進不及預期,下游市場需求不及預期。

        

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