Chiplet真相解析：炒作背後的現實

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Chiplet技術正在顛覆傳統晶片設計思維，儘管未來潛力巨大，但技術與生態系仍在發展中...

www.eettaiwan.com, Aug. 19, 2025 – 

目前在半導體產業，針對小晶片(chiplet)這一技術的討論正如火如荼地展開。chiplet指的是可與其他裸晶結合為單一封裝裝置的矽晶片。許多公司已開始著手規劃以chiplet為基礎的設計，也稱為多晶粒系統(multi-die systems)。然而，針對chiplet架構的設計究竟涉及哪些內容、目前有哪些技術已準備就緒、未來還會出現哪些創新？這些問題仍存在著某些不確定性。

在chiplet獲得廣泛採用之前，必須先理解其背後的技術及所依賴的生態系。隨著這項技術持續發展，chiplet在許多應用領域中展現出巨大潛力，包括高效能運算(HPC)、人工智慧(AI)加速、行動裝置與汽車系統等。

Chiplet的崛起

包括IC、ASIC、ASSP與SoC等一直到最近仍多半採用單晶(monolithic)的設計方式。這些裝置皆是在單一塊矽晶上製造，並封裝成獨立元件。依不同用法，「晶片」一詞可能指的是裸晶(die)本身，或是最終封裝完成的元件。

然而，設計單晶片的成本日益高昂，且越來越難以擴展。因此，解決方案之一是將設計切分為多個較小的晶片，稱為chiplet，並將這些chiplet安裝在基板(substrate)這一共用底層上，再整合於單一封裝中。這樣的組合便是所謂的多晶粒系統。

Chiplet架構的應用實例

以下幾個使用案例展示了chiplet架構在實際設計中的實作方式：

I/O與邏輯拆分：這是chiplet常見的應用場景之一，其中數位邏輯核心使用最先進的製程節點實現，而I/O功能(例如收發器與記憶體介面)則移交給使用較舊、成本更低製程的chiplet來實作。這種方法已被部份高階SoC與FPGA製造商採用，能有效依據功能選擇最適合的技術，以優化效能與成本。

光罩限制切割：此種應用場景針對超過目前光罩尺寸限制(約850mm²)的設計，將其切分為多個晶粒。例如，Nvidia Blackwell B200 GPU就採用dual-chiplet設計，每個晶粒面積約為800mm²。兩個晶粒透過每秒10兆位元(TB)的連接介面進行資料傳輸，使其能如同單一GPU運作。

同質多晶粒架構：這種架構將多個功能相同或相似的晶粒(例如CPU、GPU或NPU)整合在單一封裝中，或透過「中介層」(interposer)連接。中介層的功能類似PCB，但密度更高，且通常以矽為材料並採微影技術製造。每個晶粒執行相同或類似的任務，且多以相同製程技術製作。

此架構讓設計者可突破單晶粒在物理與經濟層面上的限制，進一步提升效能與處理量。由於單晶粒受限於約850mm²的光罩尺寸，或在面積增加時良率下降導致成本過高，這種多晶粒設計提供了替代方案。

功能分拆架構：這是大多數人一聽到「chiplet」所聯想到的設計方法。它將整體設計功能分拆成多個異質晶粒，每個晶粒依其特定功能選擇最合適的製程節點，以取得最佳的成本、功耗與效能平衡。

舉例來說，無線射頻(RF)晶粒可能使用28nm製程實現；類比數位轉換器(ADC)與數位類比轉換器(DAC)可能採16nm製程；而核心數位邏輯則可能使用3nm製程。大容量的SRAM可能使用7nm或5nm製程，因為記憶體技術在更小製程中縮放效益不大。

好消息：推動採用Chiplet架構的原因

許多公司計畫轉向或已經轉向chiplet架構，背後有多項誘因，包括：

突破單晶粒限制，實現更大型的設計：Chiplet能打造超出單一晶片面積限制的複雜系統。

提高良率、降低成本：較小的晶粒在製造上有更高良率，進而降低整體製造成本。

最佳技術整合：可彈性混合與搭配最優異的處理單元，如CPU、GPU、NPU及其他硬體加速器，還可整合封裝內記憶體與外部介面控制器。

同質與異質多晶粒擴展性：多晶粒系統可採同質處理單元陣列以擴展效能，也可採異質設計，每個功能分配給最適製程實現。

模組化設計與重複使用：以模組化chiplet為基礎的架構，有助於平台式設計與IP重用，提升開發效率。

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