“Chiplet”和“异构集成”这两个术语频繁出现在新闻页面、会议论文和营销演示中，工程师们大多能够理解他们在阅读的内容。但在演讲过程中，有时会有人在试图确定某个特定芯片是否符合Chiplet的定义时感到困惑，而异构集成对于不同的人来说也有不同的表现形式。这两个术语都缺乏被广泛接受的定义，这使得目前在理解这些术语的细微差别时变得复杂。
Chiplet如今是一个热门话题，这主要得益于异构集成（稍后会详细介绍）的发展。将SoC分解为离散组件在某种程度上是重要的。但将多个芯片集成到一个封装中并不是什么新鲜事。多芯片模块（MCM）多年来一直在做这件事，主要用于那些不太受关注的非主流应用。
在MCM中，组成部件通常是那些本可以单独封装销售的芯片。如果没有定制实现，这些部件在MCM封装内不需要任何新东西。
那么，Chiplet仅仅是给我们在过去几十年里一直在做的事情起了一个新名字吗？尽管在定义细节上存在一些分歧，但没有人将Chiplet仅仅视为一个旧事物的新名称。大多数（但不是全部）人认为，识别Chiplet的关键特征是存在一种专门的方式，用于将一个芯片直接连接到另一个芯片。“它需要在内部有一些级别的芯片到芯片接口”，Synopsys高性能计算IP解决方案副总裁Michael Posner表示。
有些人建议，只有具有标准化芯片到芯片接口的硅片才应被视为Chiplet。“对我们来说，唯一能说一个芯片是Chiplet的点是如果我们有芯片之间的标准化接口”，Fraunhofer IIS EAS高效电子部门负责人、高级系统集成小组组长Andy Heinig说。否则，该组件只是一个MCM。
尽管现有的MCM证明了新接口并非严格必要，但与MCM中的芯片相比，Chiplet集成可以在性能和效率方面实现改进。“传统芯片被设计成可以单独封装，并且能够自行驱动印刷电路板（PCB）线路”，Ansys产品营销总监Marc Swinnen说。“因此，它在I/O上有大型驱动器以驱动这些外部线路。另一方面，Chiplet是与其他Chiplet一起在中介层上使用的。因此，其接口将具有更高的速度和更低的功耗，并且只能驱动几毫米的导线。那个Chiplet永远不能放入常规封装中，因为它没有足够的驱动强度来驱动普通导线。
Chiplet的整个概念起源于对先进节点成本的经济担忧，以及无法生产大于掩模尺寸的芯片。“Chiplet通过使用较小的、单独已知良好的芯片和适合每个芯片的制造技术进行组装，从而提高了整体产量和成本效率——而不是在大型芯片级别集成所有功能，这需要使用设备中最苛刻功能所需的最先进的制造节点”，Promex首席运营官Dave Fromm说。
如今，许多公司采用专有方案来更高效地在芯片之间传输数据。这使得这些芯片有资格成为许多人眼中的Chiplet。对于那些希望标准化的人来说，UCIe和Bunch of Wires（BoW）增加了这种认可，并且已经开始被采用。
标准问题的重要性主要在于Chiplet能够在开放市场上像今天的IP一样被广泛使用。互操作性变得至关重要，以确保从不同来源购买的任何Chiplet都能很好地协同工作。对于一些人来说，这正是Chiplet的真正意义所在，这也是他们认为标准化接口是成为Chiplet的必要条件的原因。
Arm的方法略有不同，它更关注解构而不是接口。“Chiplet是一个未封装的硅芯片，旨在与其他Chiplet结合并封装在一起，作为片上系统（SoC）的一部分运行”，Arm架构产品管理总监Mark Knight说。“Chiplet创建了更大、更复杂的系统，可以封装并作为单一组件销售，每个Chiplet都针对特定功能或任务进行了优化。这消除了构建一个大型单片芯片的需要，因为单片芯片可能会带来成本效率挑战，并导致与产量相关的经济问题。
Chiplet市场的概念使事情变得复杂，Synopsys根据这一点进行了区分。“因为‘Chiplet’也被用来描述这个开放的Chiplet市场，我们开始使用‘多芯片’这个术语，因为它涵盖了所有市场和用例”，Posner说。根据这个定义，只有为开放市场设计的芯片才是Chiplet。但他仍然认为有芯片到芯片接口是必要的。
另一种观点更关注芯片在封装中的角色，而不是接口。如果它是独立的，那么它就不是Chiplet。“Chiplet是模块化的”，Siemens EDA中央工程解决方案总监Pratyush Kamal说。“不同Chiplet被设计为执行特定功能，并在单个封装内的中介层上组合在一起。
但特定功能并不一定是独立功能。“它需要将芯片与其他功能一起封装”，Synopsys的Posner说。“这并不一定意味着它是小的。我们看到有视场尺寸的芯片被封装在一起。
根据这个定义，一组Chiplet必须被视为一个整体，不能单独考虑每个Chiplet以构成完整功能。“当你查看启动、调试、测试、时钟或电源管理时，你必须将多个实体一起考虑”，Kamal说。“你不能孤立地看待它们。
与这一讨论相关的是我们应该如何称呼那片小硅片。它是裸片(Die) 还是芯片 (chip)？当一个封装中只有一个芯片时，这从来不是问题。现在多个组件被封装在一起，那么“芯片”是指芯片还是封装单元？许多人将“芯片”分配给单个硅片，而“芯片”是指封装单元，无论其内容如何。
**图1：芯片与Chiplet。左侧说明了“芯片”被一些人定义为一个封装产品，准备好焊接到PCB上。右侧显示了一系列组件，其中一些是Chiplet，被集成到同一个封装中。
基于此，一些人更喜欢“dielet”而不是“Chiplet”，因为所谓的Chiplet看起来并不像封装电路的较小版本。“在为客户开发晶圆堆叠服务时，我认为在某些情况下‘dielet’可能比‘Chiplet’更好”，Wang说。但“Chiplet”听起来比“dielet”更好，所以至少目前，任何不喜欢“Chiplet”的人都只能接受它。
当封装中包含模拟芯片时，事情变得更加复杂。标准化接口是数字的，适用于任何控制信号或数字数据在模拟之间转换。显然，模拟信号不会使用任何此类接口。如果模拟信号仅由外部信号驱动或驱动，那么它不需要任何特殊的内部接口。如果模拟信号驱动另一个Chiplet，然而，那个连接将需要定制设计并进行定制验证。
因此，如果Chiplet的试金石是存在标准化接口，那么只有具有这些数字信号的模拟芯片才会被视为Chiplet。如果这些信号提供控制而不是数据，那么它不太可能需要标准化接口的带宽。是否仍然使用该接口或更简单的接口将由架构师决定。
但问题在这里变得有些棘手。如果将标准化接口视为神圣不可侵犯的，那么一些模拟芯片可能就不符合Chiplet的定义。如果任何芯片到芯片的接口都符合条件，无需标准，那么更多的模拟芯片就会符合条件。
光子芯片也存在同样的潜在问题，尽管现在可能还为时尚早，不必过于担心。一个纯粹的光子芯片将没有任何电气接口。那么，它还能被称为光子Chiplet吗？
这就是这些定义面临的一般性测试。如果某个标准——比如标准化接口——必须满足才能被视为Chiplet，而有些芯片有，有些没有，这是否真的有区别？如果某个假设的模拟芯片没有数字信号，因此不符合Chiplet的定义，这是否意味着它不能被集成到封装中？当然不是。所以，这就是讨论这些定义有助于沟通的地方，但严格遵循这些定义可能并不那么重要。
表1： 我们采访中总结的Chiplet定义。最常见的定义要求有芯片到芯片的接口。其他定义则更加分散。来源：Semiconductor Engineering
异构集成也是一个新概念。“30或40年来，我们一直朝着单片设计的方向发展，这带来了巨大的优势，”Swinnen说。“如果你有多个核心并将它们全部放在一个SoC上，它们会更快、更小、更便宜，功耗也会更低。这种情况仍然存在。唯一可能无法这样做的原因是芯片变得太大。”
验证和处理考虑因素也起作用。2.5D集成这些天受到了很多关注，但3D可能会加剧集成问题。“当你试图连接不同的3D组件时，会出现集成挑战，”Lam Research全球半导体工艺与集成高级经理Benjamin Vincent在博客文章中指出。这些挑战可以推动“异构”这一区别的出现。
尽管“Chiplet”的定义各不相同，但工程师对异构集成的看法更加多样化。它们都涉及封装中的多个组件，但在定义其为异构时存在不同的“标准”。Wang指出：“我没有看到一个非常清晰的定义。”这些标准如下逐步升级：
**封装中有多个组件就足够了。**它可以简单地是两个相同的芯片。“异构集成通常是将具有不同功能的芯片封装在一起，”Posner说。“但其中一部分也可能是计算扩展。[拥有四个相同的芯片]仍然是异构集成。”
多个芯片必须不同。“首先定义异构集成的对立面可能更容易，”Knight说。“由几个相同的CPU Chiplet组成的系统不是异构的。由不同Chiplet类型组成的系统是异构系统。”Promex的定义类似：“我们将异构集成定义为一种将不同组件——电子和非电子——组装成一个紧凑设备的方法，”Fromm说。
不同的芯片必须是独立设计的，而不是一个协调的项目。这些芯片可能来自同一家公司，也可能不是。
封装必须包含不同工艺节点的混合。“我个人的定义是，如果两个Chiplet来自同一个节点，那就是同质集成，”Wang说。“如果我们连接DRAM和逻辑电路，它肯定会导致来自不同节点的晶圆，所以这是异构集成。”
封装必须包含先进和成熟节点的混合。“我们可以将用于执行器或传感器的高电压旧技术节点与5nm处理元件集成在一起，”Heinig说。“这就是我们在欧洲所理解的异构集成。如果英特尔或AMD将7nm与12nm结合在一起，对我们来说就不是异构集成，因为他们并没有面临所有相同的问题。”
混合节点或混合材料中的任何一个都符合条件。“一开始，许多参与者认为异构集成是多芯片或Chiplet解决方案中使用的不同硅节点，”SEMI首席技术官兼技术社区副总裁Melissa Grupen-Shemansky说。“一些技术专业人员仍然将其视为来自不同节点的芯片的集成。但它也可以包括不同材料的芯片，如硅和锗，以及化合物半导体，如GaN和InP。”
一些考虑因素相对脆弱。例如，鉴于对不同节点的要求，如果一个封装包含一个22nm芯片和一个12nm芯片，它就是异构的。如果在未来某个时刻22nm芯片被升级到12nm，那么根据这个定义，它就不再是异构的。
那么，“异构”这一区别到底要传达什么？在这个例子中，组装过程实际上并没有真正改变。只是有一个芯片被更新了。不清楚从异构变为同构是否提供了任何实质性的清晰度。
在这里，模拟电路又使事情变得复杂。Swinnen 表示：“模拟电路并不使用先进制程节点。在 5nm 制程下，会出现许多寄生效应，这使得产品很难达到规格要求。”
对于异构集成的另一种理解是，整个封装必须一起进行仿真，以确保产品能够按照预期的性能和产量表现。
Heinig 说：“如果你在一个芯片小块（chiplet）上有 100V 的电压，你就必须确保它不会耦合到你的 5nm 子系统中。这是一个多物理场问题。我们看到的第二个问题是，如果你看看 BoW（Bump-on-Wafer）和 UCIe（Universal Chiplet Interconnect Express），接口电压大约在 0.7V 或 0.8V。这对于 7nm、10nm 或 22nm 的制程来说工作得很好，但如果你使用 65nm 或 90nm 的制程，你的供电电压是 3V 或 5V。那么，接口上的 0.8V 就无法工作，因为你无法达到成熟制程的阈值电压。”
随着材料的增加，所需的仿真工作量也在增加，因为多物理场仿真将验证产品的热性能、可靠性、噪声、信号质量以及其他所有关于稳健产品的考虑因素。Kamal 表示：“你可能会有一个跨越多种技术的子系统。你需要将其作为一个整体进行提取和仿真，这就是我们强调异构集成的原因。”
表 2：来自 SE（Semiconductor Engineering）访谈的异构集成定义总结。受访者在各个标准上的回答分布广泛。来源：《半导体工程》
人们可以争论定义的细微差别，但这种努力是否会有回报呢？一般来说，如果一个定义能够提供有助于决策的信息，那么它就是有用的。对于芯片小块（chiplet）来说，定义的价值取决于上下文。如果一家公司自己进行 SoC（System on Chip，系统级芯片）的拆分，它可以使用自己的术语。
但如果芯片小块市场开始形成，互操作性将取决于购买的产品是否符合芯片小块的定义。当然，如果有人在公开市场上出售一个“芯片小块”——它没有芯片到芯片的接口，但其他方面都能正常工作——这真的会是个问题吗？只要芯片有良好的文档记录，可能就不是问题。
异构集成可能又是另一回事。如今，每个人都在为先进封装开发自己的流程，而这些流程之所以不同，正是因为这些公司试图使自己的工艺与众不同。此外，许多项目都是单独进行的，而不是从一个通用的配方中受益。
但如果这些配方开始分成两个不同的层次——一个用于同构集成，一个用于异构集成——那么定义将决定配方。理想情况下，所有从事封装的公司应该就同一定义达成一致，以便规划者在比较时能够进行同类比较，而不是不得不在各种不同的定义中费力筛选。
