单芯片集成电路大师讲堂｜刘明院士：集成芯片突破单芯片光刻面积瓶颈

发布时间 : 2024-11-24

作者 : 小编

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集成电路大师讲堂｜刘明院士：集成芯片突破单芯片光刻面积瓶颈

澎湃新闻记者张静

·通过半导体制造将若干芯片模块集成，形成复杂功能芯片，可以突破单芯片光刻面积的瓶颈，以及设计周期制约等。

中国科学院院士刘明

8月12日，上海集成电路“大师讲堂”在上海科学会堂开讲，作为首期讲堂嘉宾，中国科学院院士刘明在科普集成电路创新发展之路的同时，提出了高端芯片研发的新途径，即“集成芯片”，将复杂的SoC芯片重新分解成芯粒（Chiplet），根据系统需求将不同芯粒再次组合。通过半导体制造将若干芯片模块集成，以此形成复杂功能芯片，可以突破单芯片光刻面积的瓶颈，突破设计周期制约等。

提升芯片性能的传统方案

集成电路是指一系列电子电路集成在半导体材料上，通常这类材料是硅。基础器件的演变、集成的概念以及平面制造技术的发明是集成电路开启发展的三个重要基本要素。

刘明表示，集成电路在早期发展中的主要驱动力是依靠尺寸微缩。工艺技术每18-24个月更新一代，新一代技术和上一代相比，面积缩小，性能提升，功耗降低。从1971年到2003年，在尺寸微缩占主导的时代经历了11代技术更新，尺寸实现了从10微米到130纳米的突破，晶体管的数量从2300增加到5.92亿，但单个CPU的面积几乎没有增加，“工艺的进步就已经可以给集成电路带来很大的性能提升。”在尺寸微缩的最好时期，一代技术可以为计算机带来50%以上性能的提升，大大促进个人电脑服务器的发展。

当单纯依靠尺寸微缩提升芯片性能的空间变小时，则出现了将不同功能的电路集成在一起，依靠尺寸微缩和设计优化两条路提升芯片性能。SoC的来临就是将更多性能集成在单一芯片上，促进了手机/嵌入设备的发展。以CPU为例，单核处理器性能难以进一步提升时，采用了多核处理器提升性能，进一步采用了异构多核的架构、协处理器以及GPU架构、专用处理器等提高性能。

突破高端芯片研发的新路径

不过，刘明指出，随着处理的核越来越多，芯片复杂度增加，设计周期越来越长，成本大大增加，SoC芯片验证的时间、成本也在急剧增加，大芯片快要接近制造瓶颈。“特别是做一些高端处理芯片、大芯片，单纯靠传统的SoC这条路走下去，需要从系统层面来考虑。”

如何才能实现突破？刘明提到了“集成芯片”。

集成芯片是将复杂的SoC芯片重新分解成芯粒，根据系统需求将不同芯粒再次组合。通过半导体制造将若干芯片模块集成，而非纯粹封装集成，以此形成复杂功能芯片。所谓“芯粒”，就是指预先制造好、具有特定功能、可二次集成的晶片（die）。集成芯片的优势在于，可以突破单芯片光刻面积的瓶颈，突破设计周期制约，也可以突破封装连接极限。

刘明认为，集成芯片是摩尔时代国际集成电路技术创新的前沿，为我国提供了一条基于自主低世代集成电路工艺研制高端芯片的新途径。“中国有巨大的市场，依靠产业来推动，可能也可以形成自己的标准和生态，大家倡导很久的硬件开源，也许会搭载这样一个机遇得以实现。”

产业大咖将陆续登台“大师讲堂”

据悉，“大师讲堂”由上海市人才办、市经信委、市发改委、市科委、市教委、市科协联合指导，由上海大学、上海市集成电路行业协会、上海集成电路产业投资基金联合主办，该讲堂2022年计划举办10期，每期邀请海内外领军企业负责人、业内知名专家学者等，围绕集成电路产业做深度分享报告。首期分享嘉宾除刘明外，还有曾获得上海市白玉兰奖的首批科创板上市企业澜起科技董事长兼 CEO 杨崇和。

上海市经济信息化委一级巡视员傅新华

上海市经济信息化委一级巡视员傅新华介绍，举办“大师讲堂”旨在营造上海主动汇聚天下英才、吸引全球资源共同打造世界级集成电路产业集群的产业氛围，吸引更多年轻人投身这一行业。作为国内集成电路产业链最完整、技术水平最高、综合竞争力最强的地区，上海集聚了超过1200家行业重点企业，汇聚了全国40%的产业人才，集聚了国内50%的行业创新资源，2022年上半年产业继续保持超过17%的增速，全年有望突破3000亿，“集成电路是上海的三大先导产业之一，上海从业人员达到25万人，但和国外相比还有差距”，傅新华表示。

责任编辑：吴跃伟

校对：栾梦

浅谈单芯片和双芯片的优缺点

选择单芯片（单电芯）还是双芯片（双电芯）取决于具体的需求和应用场景。下面将浅谈单芯片和双芯片各自的优缺点，以及在不同情况下的适用性，帮助您做出更好的选择：

一、单芯片（单电芯）：

优点：

成本低：单芯片系统通常成本更低，因为只需要一个主处理器来完成所有的任务，减少了硬件成本。功耗较低：单芯片系统通常功耗较低，因为只有一个处理器在运行，不会产生额外的功耗。设计简单：单芯片系统的设计相对简单，因为只有一个处理器需要考虑，减少了系统设计的复杂性。

缺点：

性能受限：单芯片系统的性能受到单个处理器性能的限制，可能无法满足高性能和大规模计算的需求。可扩展性差：单芯片系统的可扩展性有限，如果需要增加处理能力，只能通过替换整个处理器或升级到更高性能的单芯片来实现。

适用场景：

简单应用：单芯片系统适用于简单的应用场景，如家用电器、小型嵌入式系统等。成本敏感型应用：对成本要求较高的应用场景，单芯片系统通常是更合适的选择。

二、双芯片（双电芯）：

优点：

高性能：双芯片系统可以利用两个独立的处理器同时工作，提高系统的整体性能和处理能力。可靠性高：双芯片系统具有较高的可靠性，因为系统可以容忍一个处理器的故障而不影响整体运行。可扩展性强：双芯片系统的可扩展性较强，可以通过增加或更换处理器来提高系统的处理能力和性能。

缺点：

成本高：双芯片系统通常成本较高，因为需要额外的处理器和相关硬件来支持双芯片的工作。功耗较高：双芯片系统通常功耗较高，因为需要同时运行两个处理器，增加了系统的功耗。

适用场景：

高性能应用：对性能要求较高的应用场景，如大型服务器、高性能计算机等。高可靠性应用：对可靠性要求较高的应用场景，如等。

综合考虑，选择单芯片还是双芯片取决于具体需求和应用场景。如果对成本和功耗有较高要求，且应用场景相对简单，单芯片系统可能更适合；如果对性能和可靠性有较高要求，且有较高的预算，双芯片系统可能是更好的选择。

文章素材来源：https://www.icdhs.com/news/437

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浅谈单芯片和双芯片的优缺点

一、单芯片（单电芯）：

二、双芯片（双电芯）：

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