中国已实现4nm芯片量产，打破欧美芯片封锁？然而事实并不是这样

“中国4nm芯片已经量产”、“打破美国芯片封锁”、“中国芯片迎来重大突破”，2023年开年各大媒体就公布了这样劲爆的消息，但我想给大家伙儿直接辟谣一下，这些消息其实都是夸大的谣言或者混淆了概念。

4nm芯片量产这事儿传出来，源头是在2022年12月底，长电科技在互动平台表示他们公司已经实现了4nm工艺制程手机芯片的封装，结果这事儿被很多人误解为长电有能力量产4nm芯片了，但事实上长电是研发成功了4nm“chiplet“封装技术——XDFOI，该技术只是说有能力实现通过Chiplet技术生产的4nm芯片在封装环节的量产。

看到这儿，什么是Chiplet？什么是芯片封装呢？

过去数十年来，全球知名半导体巨头不断往同样小的芯片空间内塞入上亿颗晶体管，以此来持续提升工艺制程，但近几年行业往3nm、2nm以下推进的难度突然飙升，几乎触碰到硅材料本身的物理极限了，想要继续缩进制程付出的成本代价越来越大。

联电、格芯两大晶圆代工厂先后宣布放弃10nm以下先进芯片制程的研发，而摩尔定律的领头者英特尔在向10nm、7nm推进的过程中遇到了极大的阻力，制程工艺已经被台积电和韩国三星超越，摩尔定律已死的看法一时充斥整个行业。

于是一种绕过先进工艺障碍、实现与先进工艺制程效果接近的“Chiplet技术”火了。

以前行业推进芯片制程，简单说就是让单位面积内晶体管数量翻倍，而这时设计和制造的对象是系统级芯片SoC，用光刻机直接往一大块芯片中一次性集成中央处理器CPU、图形处理器GPU、图像处理单元ISP、数字信号处理器DSP等众多功能单元，通过全面提升单元性能，实现SoC芯片的迭代。

如今芯片制程工艺受阻，我们该如何继续提高SoC芯片整体的性能呢？

2015年Marvell创始人周秀文在ISSCC集成电路设计大会上提出了Modular Chip——模块化芯片的概念，后来逐渐演变出了Chiplet。Chiplet也被称为“芯粒”，可以理解成系统级芯片中的一小块芯片，承担某一种特定功能。

如果我们将SoC芯片看成一整块拼好的乐高玩具，Chiplet就是其中的一块积木，多个Chiplet就可以拼接成一个SoC系统级芯片。而Chiplet技术干的事就是提前将每块积木设计好，再用最合适的工艺分别制造完成，最后通过先进“封装技术”将各块积木集成为一个SoC芯片。

以前SoC芯片整体上仅依赖工艺和架构来实现性能的指数增长，而现在Chiplet技术是从各个小单元入手，将每个小Chiplet做到极致，最终实现系统级芯片性能和功能的跃进，也就是说如果我暂时搞不出4nm芯片，但我可以通过把大芯片内的每个小芯片做到极致，最终也能实现跟4nm芯片同样的性能和功能。

2022年苹果在春季新品发布会上发布的M1 Ultra，这款芯片就是将两颗M1 Max 封装在一起，两颗M1 Max采用了5nm工艺制程，拥有570亿颗晶体管，在采用UltraFusion封装架构将两颗芯片内部互连后，便得到了一块系统级芯片M1 Ultra，晶体管数量达到了1140亿颗，性能达到了空前的提高。

我们再看看Chiplet的封装技术。区分先进封装和传统封装一般以是否会用到线路焊接为界定标准，目前使用最广泛的系统级封装SiP是传统意义上的封装。

而Chiplet的封装一般采用2.5D、3D无需线路焊接的先进封装方式。我们可以将2D封装理解为同一个基板平面上集成，而2.5D是在Interposer中介层上集成，相当于在平面上加了一块基板，而3D就是芯粒间的垂直堆叠和直连，这种封装更能实现芯粒间的堆叠和高密度互联，更适合Chiplet。从2D到3D，可以形象理解为平面上建高楼，楼建的越高，住的人也越来越多，能装下的晶体管也更多。

目前头部IDM（垂直整合设计制造）厂商、晶圆代工厂都在积极推进不同类型的Chiplet封装技术，来抢占这块市场，目前市场上有四种主流的封装方式。一种是标准封装——将芯片间的金属连线埋入承载的基板中。一种是英特尔在2017年提出的EMIB封装方案——将硅桥嵌入基板中，再利用硅桥连接不同的芯粒，最终以2.5D的形式将不同制程的Chiplet整合在一起。一种如台积电的CoWoS封装方案——将芯粒在硅中介层上重新布线，最终再将中介层封装到基板上。上文提到M1 Ultra芯片的UltraFusion封装架构就是采用的该类技术。最后一种像日月光的FOCoS-B封装方案——将芯粒在扇出型中介层上重新布线，不过最后仅在芯粒连接处用硅桥连接。

以上几种大都是从2.5D封装出发，而在2018年底，英特尔又推出了行业首个3D逻辑芯片封装技术——Foveros 3D。微芯片一般分为逻辑芯片（CPU、GPU、NPU）和存储芯片两大类，以前逻辑芯片只能与存储芯片连在一起，而Foveros 3D能实现不同制程逻辑芯片的堆叠。台积电也已经在2.5D、3D封装上布局超过了10年，他们将CoWoS封装、SoIC前段封装、InFO后段封装整合在一个3DFabric平台中，可以说行业做Chiplet封装的底子和经验是十分充足的。

国内搞Chiplet封装的就要属长电科技了，长电目前是中国最大、全球第三大芯片封装测试的巨头，它家的封装技术就是XDFOI chiplet高密度多维异构集成工艺，技术上做到了完全自主研发。

长电的封装能在SoC芯片有限的范围面积内，组合小芯粒进行非常高密度的集成，最终整体上提高芯片封装的集成度，而且能使芯片封装的尺寸更小，模块功能更强。长电能做到4nm封装水平，也是当下全球最先进的封装水平。网上所传长电实现了4nm芯片量产，实际上就是对chiplet的了解不够，越传越片面。

话说回来，Chiplet作为一种新技术路线，也给出了单个裸片晶体管数量受限的情况下，保持封装后芯片产品整体晶体管数量持续提升的方法，也是未来几年摩尔定律走到尽头后，提升芯片算力的依仗。

在我国半导体行业中短期内无法破解EUV光刻机卡脖子的局面下，Chiplet也是我国突破半导体工艺的重要途径。现阶段国内行业的主要方向应该是构建Chiplet生态，争取在Chiplet IP和EDA创新软件上做到国际先进水平，但Chiplet技术引发的设计、封装等新难题，也值得我们敬畏。