中國爲何豪賭Chiplet芯片技術？

在過去的幾年裡，美國的制裁使中國的半導體產業陷入困境。雖然中國公司仍然可以生產符合當今用途的芯片，但卻不允許它們進口某些芯片製造技術，這使得它們幾乎無法生產更先進的產品。不過，有一種變通辦法。現在，一種被稱爲Chiplet的相對較新的技術爲中國提供了一種規避這些出口禁令、建立一定程度的自力更生能力並與其他國家（尤其是美國）保持同步的途徑。以下是TechnologyReview於2月6日發表的文章：《中國爲何豪賭Chiplet芯片技術？》

在過去的一年裡，中國政府和風險投資者都在着力扶持國內的芯片產業。學術研究人員受到激勵，以解決芯片製造所涉及的前沿問題，而一些芯片初創企業已經生產出了首批Chiplet產品。

傳統芯片將所有組件集成在一塊硅片上，而Chiplet則採用模塊化方式。每個芯片都有專門的功能，如數據處理或存儲；然後將它們連接成一個系統。由於每個芯片的體積更小、功能更專一，因此製造成本更低，出現故障的可能性也更小。同時，系統中的單個芯片可以更換爲更新、更好的版本，以提高性能，而其他功能組件則保持不變。

由於Chiplet具有在後摩爾定律時代支持持續增長的潛力，《麻省理工科技評論》將其選爲2024年十大突破性技術之一。芯片領域的強大公司，如 AMD、英特爾和蘋果，已經在其產品中使用了這項技術。

對這些公司來說，Chiplet是半導體行業不斷提高芯片計算能力的幾種方法之一，儘管它們有物理上的限制。但對於中國的芯片公司來說，它們可以減少在國內開發更強大芯片所需的時間和成本，併爲人工智能等不斷增長的重要技術領域提供產品。要將這種潛力變爲現實，這些公司需要投資於芯片封裝技術，將芯片連接到一個設備中。

半導體情報公司 TechInsights 的工藝分析師卡梅隆-麥克尼爾（Cameron McKnight-MacNeil）說："開發利用Chiplet設計所需的先進封裝技術無疑是中國的任務之一。衆所周知，中國擁有部署芯片組的一些基礎底層技術"。

實現高性能芯片的捷徑

幾年來，美國政府一直利用出口黑名單來限制中國半導體產業的發展。其中一項制裁於 2022 年 10 月實施，禁止向中國出售任何可用於製造 14 納米一代芯片（相對先進但非尖端）以及更先進芯片的技術。

多年來，中國政府一直在尋找克服由此造成的芯片製造瓶頸的方法，但要在光刻技術--利用光線將設計圖案轉移到硅基材料上的工藝--等領域取得突破可能需要幾十年的時間。如今，與臺灣、荷蘭和其他國家的公司相比，中國的芯片製造能力仍然落後。麥克奈特-麥克尼爾說："雖然我們現在已經看到（中芯國際）通過DUV工藝生產7納米芯片，但我們懷疑生產成本高，產量低。"

不過，Chiplet技術有望擺脫這一限制。通過將芯片的功能分離成多個芯片模塊，可以降低製造每個單獨部件的難度。如果中國無法購買或製造單個功能強大的芯片，就可以連接一些有能力製造的較低級芯片。它們組合在一起，就有可能達到與美國阻止中國使用的芯片類似的計算能力水平，甚至更高。

但這種芯片製造方法對半導體行業的另一個領域提出了更大的挑戰：封裝，即組裝芯片的多個組件並測試成品設備性能的過程。要確保多個芯片能夠協同工作，需要比傳統單片芯片更復雜的封裝技術。這一過程中使用的技術被稱爲先進封裝。

這相對對中國來說是一個更容易的提升。如今，中國公司已經生產了全球 38% 的芯片封裝產品。臺灣和新加坡的公司仍然掌握着更先進的技術，但要在這方面迎頭趕上並不那麼困難。

"封裝Chiplet的標準化程度較低，自動化程度也較低。它更依賴於熟練的技術人員，"哥倫比亞大學研究電信和芯片設計的教授哈里什-克里什納斯瓦米說。由於中國的勞動力成本仍然比西方國家低得多，"我認爲中國不需要幾十年就能趕上"，他說。

資金正在流入芯片行業

與半導體行業的其他領域一樣，開發芯片也需要資金。但出於快速發展國內芯片產業的緊迫感，中國政府和其他投資者已經開始向芯片研究人員和初創企業投資。

2023 年 7 月，中國國家自然科學基金委員會（國家基礎研究的最高基金）宣佈，計劃資助 17 至 30 個芯片研究項目，涉及設計、製造、封裝等。該組織表示，計劃在未來四年內發放 400 萬至 650 萬美元的研究經費，目標是將芯片性能提高"一到兩個量級"。

該基金更側重於學術研究，但一些地方政府也準備投資於芯片的產業機會。無錫是中國東部的一箇中等城市，它正將自己定位爲芯片生產中心 - "芯粒之谷"。去年，無錫政府官員提議設立一個摺合 1400 萬美元的基金，用於將芯片公司引入該市，該基金已經吸引了一些國內公司。與此同時，一批定位在Chiplet領域研發的中國初創企業也獲得了風險投資的支持。

北極雄芯（Polar Bear Tech）是一家開發通用和專用芯片的中國初創公司，2023 年獲得了超過 1400 萬美元的投資。該公司於 2023 年 2 月發佈了首款基於芯片的人工智能芯片"啓明 930"。其他幾家初創公司，如 Chiplego（芯礪智能）、Calculet（原粒半導體）和 Kiwimoore（奇異摩爾）也獲得了數百萬美元的投資，用於製造汽車專用芯片或多模態人工智能模型。

挑戰依然存在

選擇Chiplet方法需要權衡利弊。雖然它通常能降低成本並提高定製能力，但在芯片中包含多個組件意味着需要更多的連接。如果其中一個出現問題，整個芯片就會失效，因此模塊之間的高度兼容性至關重要。連接或堆疊多個芯片還意味着系統耗電更多，發熱更快。這可能會影響性能，甚至損壞芯片本身。

爲了避免這些問題，設計Chiplet的不同公司必須遵守相同的協議和技術標準。2022 年，全球各大公司聯合提出了通用芯片互連快車（UCIe），這是一個關於如何連接芯片的開放標準。

但所有參與者都希望自己擁有更大的影響力，因此一些中國實體提出了自己的芯片組標準。事實上，不同的研究聯盟在 2023 年提出了至少兩個中國芯片組標準，作爲 UCIe 的替代標準，而 2024 年 1 月出臺的第三個標準則將重點放在了數據傳輸而非物理連接上。

最初的光刻工具相當簡單，但生產當今芯片的技術卻是人類最複雜的發明之一。如果沒有一個行業內人人認可的通用標準，芯片就無法實現該技術所承諾的定製化水平。它們的缺點可能會讓全球的公司重新使用傳統的一體式芯片。對中國來說，採用芯片技術還不足以解決其他問題，比如難以獲得或製造光刻機。

將幾種不那麼先進的芯片組合在一起，可能會提升中國芯片技術的性能，並替代中國無法獲得的先進技術，但卻無法生產出遠遠領先於現有一線產品的芯片。而且，隨着美國政府不斷更新和擴大對半導體的制裁，芯片技術也可能受到限制。

2023 年 10 月，美國商務部修訂了早前對中國半導體行業的制裁措施，其中包括一些新的措辭和對芯片的一些提及。修正案增加了新的參數，以確定哪些技術被禁止出售給中國，其中一些新增參數似乎是爲衡量芯片的先進程度而量身定製的。

雖然世界各地的芯片工廠並不受限制爲中國生產不太先進的芯片，但商務部的文件還要求他們評估這些產品是否會成爲功能更強大的集成芯片的一部分，這就給他們施加了更大的壓力，要求他們覈實自己的產品最終不會成爲被禁止向中國出口的產品的部件。

由於存在各種現實和政治障礙，無論投入多少政治意願和投資，芯片組的發展仍需時日。它可能是中國半導體產業製造更強芯片的捷徑，但不會是解決中美技術戰的靈丹妙藥。