2023年半导体Chiplet专题分析 为何需要Chiplet？

一、为何需要Chiplet？

Chiplet定义与优势

Chiplet定义：将单颗SoC“化整为零”为多颗小芯片（Chip），将多颗Chips进行封装的技术。可分为： 1）MCM：Multi-Chip Module，多芯片组件。MCM将多颗裸芯片连接于同一块基板（陶瓷、硅、金属基板）， 并封装到同一外壳。往下可细分为金字塔堆叠MCM和TSV（硅通孔）堆叠MCM。 2）InFO：Integrated Fan-Out，集成扇出封装。InFO指集成多颗进行扇出型封装，所谓扇出（ Fan-Out ），指 Die表面的触点扩展到Die的覆盖面积之外，增加了凸点布臵的灵活性并增多了引脚数量。InFO与MCM的区别 在于InFO强调扇出封装。 3）2.5D CoWoS：Chip on Wafer on Substrate，即从上往下为小芯片-interposer（转接板，硅wafer或其他材料）- IC载板。其与InFO区别在于，2.5D CoWoS多了一层interposer，InFO通常无interposer。 需注意，以上三种封装并无严格界限，其区别在于每一种形式侧重的封装要素不同。

国产化意义：助力弯道超车

美国制裁中国14nm以下先进制程。2020年，美国将中芯国际列入“实体清单”，限制中芯国际14nm及以下制 程的扩产。在此背景下，国产14nm制程产能处于存量、无法扩张的状态。在此背景下，Chiplet国产化意义： 1）Chiplet可提升国产14nm良率、规避美国限制。Chiplet通过“化整为零”缩小单颗die面积——die面积越小， 单片晶圆上的缺陷数量不变的情况下，坏点落在单颗die上对整片晶圆面积的影响比重，在减少，即良率越来 越高。国产厂商采用Chiplet，在国产14nm产能为存量的局面下，提升了实际的芯片产出——部分规避了美国 的限制。 2）Chiplet增加了晶圆供给来源，进一步规避美国限制。原先，单颗SoC使用的是统一的、与CPU制程一致的先 进制程；Chiplet则对核心CPU chip采用先进制程，其他如I/O芯片、存储芯片，用更成熟的制程。就国产而言， Chiplet减少了14nm宝贵晶圆的用量，部分地用28甚至45nm制程制作非核心的芯片，增加了晶圆供给来源。

创新意义：AI芯片提质增效

当前AI芯片呈现几大趋势： 1）制程越来越先进。从2017年英伟达发布Tesla V100 AI芯片的12nm制程开始，业界一直在推进先进制程在AI 芯片上的应用。英伟达、英特尔、AMD一路将AI芯片制程从16nm推进至4/5nm。 2）Chiplet封装初露头角。2022年英伟达发布H100 AI芯片，其芯片主体为单芯片架构，但其GPU与HBM3存储 芯片的连接，采用Chiplet封装。在此之前，英伟达凭借NVlink-C2C实现内部芯片之间的高速连接，且Nvlink芯 片的连接标准可与Chiplet业界的统一标准Ucle共通。而AMD2023年发布的Instinct MI300是业界首次在AI芯片上 采用更底层的Chiplet架构，实现CPU和GPU之间的连接。 3）2020年以来头部厂商加速布局。AI芯片先行者是英伟达，其在2017年即发布Tesla V100芯片，此后2020以来 英特尔、AMD纷纷跟进发布AI芯片，并在2022、2023年接连发布新款AI芯片，发布节奏明显加快。

二、产业应用：海内外巨头躬身入局

AMD：Chiplet先行者

2019年AMD在ZEN2架构上首次引入Chiplet，带来两大优势： 1）降本。 ZEN2架构的精髓在于，将原先在每颗CPU里的I/O芯片独立出来，并集中成一颗I/O芯片，然后通 过Chiplet实现CPU连接I/O。其中CPU采用台积电7nm工艺，I/O芯片采用台积电14nm（针对EPYC）或 GlobalFoundries的12nm工艺（针对消费类CPU）。相比于原先ZEN架构采用同一制程，ZEN2架构不同芯片采 用最具性价比制程，可有效改善成本。此外，单颗核心复合体（CCX）面积大幅缩小（少了I/O面积，以 EPYC处理器为例，从60缩小至31.3mm²），良率提升，进一步改善成本。 2）降低延迟。 ZEN2架构中L3缓存从8MB提升至16MB，这一方面依赖于制程升级，一方面依赖于Chiplet减少 了I/O面积，使得芯片有更多的空间承载更大面积的缓存芯片。缓存越大，芯片延迟越低。

海外巨头纷纷布局Chiplet

英特尔：已发布Chiplet相关芯片。2023年1月发布首款基于Chiplet设计的第四代Intel Xeon可扩展处理器及其 Max系列，其中Max系列采用3D Chiplet封装，涵盖5种以上差异化工艺节点。 英伟达：超级CPU遵循UCIe规范，对Chiplet态度积极。2022年英伟达发布Grace CPU Superchip，通过自家 NVLink-C2C技术实现芯片高速互连，且该芯片遵循由业界共同制定的小芯片互连规范UCIe。公司超大规模 计算副总裁 Ian Buck 表示：Chiplet和异构计算对于应对摩尔定律放缓是必要的，公司利用其高速互连技术， 帮助旗下GPU、CPU等创建通过Chiplet构建的新产品。 苹果：M1 Ultra 采用Chiplet封装。2022年苹果发布M1 Ultra芯片，该芯片由两颗M1 Max芯片通过独特的 UltraFusion架构桥接而成。而据台积电而证实， M1 Ultra采用的是Chiplet里的InFO-LI（Integrated Fan OutLocal Interconnection）封装，其好处在于可以降低成本。

三、受益链条：封测、材料等多环节受益

空间：500亿美金大市场

2024年全球Chiplet芯片市场空间有望达500亿美金。据Gartner预测，Chiplet芯片市场在2020年空间为全球33亿美金， 2024年全球超500亿美金，2020-24年全球市场CAGR为98%。其背后是Chiplet在MPU、DRAM/NAND、基带芯片上加速 渗透。 2024年全球Chiplet封测市场空间有望达50亿美金。2022年全球封测市场空间为469亿美金，对应全球芯片销售额在5735 亿美金，封测占芯片产值的比重为8%。由于Chiplet涉及的封测难度更高、相对应地在芯片产值中价值量占比会更高， 假设2024年全球Chiplet芯片市场中，Chiplet封测成本占比为10%，则对应50亿美金的市场空间。

EDA：芯片重构带来国产导入良机

Chiplet带来EDA设计的新挑战：1）多颗小芯片集成，电、热、力、机械等多种物理量下如何保证芯片设 计指标和工作状态正常；2）需要对多芯片进行整合式EDA验证；3）设计和封装融为一体，EDA端要对应适 配； 芯片重构带来国产EDA导入良机：1）建立统一的EDA设计工具的国产统一标准；2）不同国产芯片的协同整 合测试；3）国产封测厂在PCB绕线、数字绕线、模拟绕线上可以给国产EDA提供经验；4）国产fab厂制定 统一的多芯片互联标准。——以上四点，国产EDA厂商均有地理和自主可控方便的优势，也是借助Chiplet 打开国产EDA局面的良机。

IP：Chiplet释放芯片IP化需求

Chiplet释放芯片IP化需求： Chiplet释放IP复用增量需求。Chiplet将大芯片“化整为零”，单颗Chip本质上是IP硬件化，Chiplet封 装可以看作是多颗硬件化的IP的集成。后续Chiplet芯片的升级，可以选择仅升级部分IP单元对应的 Chip，部分IP保留——从而实现IP复用，大幅缩短产品上市周期。 芯原股份作为国内IP供应龙头，有望受益于Chiplet发展。据Ipnest，芯原股份是中国大陆排名第一、全 球排名第七的半导体IP供应商，拥有图形/神经网络/视频/数字信号/图像/显示六大类处理器IP核，并具 备领先的芯片设计能力，近年来一直致力于Chiplet技术和产业的推进。2022年芯原推出了基于Chiplet架 构所设计的高端应用处理器平台，该平台12nm SoC版本已完成流片和验证。

减薄：Chiplet新增晶圆减薄需求

Chiplet兴起创造全新的减薄机应用场景： 传统减薄机，用于后道封装，主要涉及对芯片背面硅片的减薄、注塑后对塑胶表面的磨平。 以Chiplet为代表的3D IC兴起后，前道环节新增对减薄抛光机的需求——因为3D IC涉及到多颗晶圆的堆 叠，为了降低堆叠后芯片组厚度，需要对晶圆进行减薄。 华海清科减薄机2023年有望批量出货。公司针对3D IC领域的减薄抛光一体机已发到客户端进行验证，且验 证情况良好，预计该类产品在2023年实现批量出货。除此之外公司还拓展了针对封装领域的减薄机型，目前 也处于验证阶段。在技术层面，公司减薄类设备可以对标国际友商的高端机型。

封测：国产龙头已量产Chiplet

国产封测龙头，在Chiplet领域已实现技术布局： 通富微电已为AMD大规模量产Chiplet产品； 长电科技早在2018年即布局Chiplet相关技术，2022年成为中国大陆首家加入UCIe产业联盟的封测厂商； 公司已通过国内外多家生产型子公司为海内外多家不同客户规模量产Chiplet产品； 华天科技Chiplet技术已实现量产，其他中小封测厂商已有在TSV等Chiplet前期技术上的积累。

ABF载板：Chiplet材料国产化空间广

Chiplet高增带动ABF载板需求提升： Chiplet芯片高算力特性，更适合于ABF载板应用。依据材料，可将IC载板分为BT 载板和ABF载板。相较于 BT载板，ABF材料可做线路较细、适合针脚数更多的高讯息传输IC，主要用于CPU、GPU、FPGA、ASIC等高 算力芯片。 2028年全球ABF载板市场有望达65亿美元。随着HPC发展和Chiplet渗透，ABF载板市场迎来快速增长。据 QYResearch，2023年全球ABF载板市场有望达50亿美元，至2028年有望增至65亿美元。 中国台湾、日本企业占据全球7成份额，国产化空间广阔。据半导体行业观察，中国台湾的欣兴、景硕、 南电和日本的Ibiden、Shinko共占据全球ABF载板市场近70%份额。中国大陆厂商面临广阔替代空间。

测试：Chiplet倍增CP测试需求

 Chiplet倍增CP测试需求。Chiplet需要对每一颗Chiplet die进行封装前的CP测试（circuit probing）， 否则封装后任一颗die失效，将会使整个芯片组失效，成本代价高。相比于单芯片SoC测试，Chipet对芯片 的CP测试需求按照小芯片数量成倍增加，进而拉动了对测试服务、测试机的需求。 国产第三方测试厂商有望受益：伟测科技（产能高增的国产第三方测试龙头）、利扬芯片（老牌国产测试 龙头）、华岭股份（立足长三角的国产测试龙头）。 国产测试机厂商有望受益：长川科技（国产数字测试机龙头）、华峰测控（国产模拟测试机龙头）、联动 科技（功率测试能力突出）。

（本文仅供参考，不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息，请参阅报告原文。）