集成芯片与芯粒技术白皮书_第二版_2026_62页_15mb

集成芯片与芯粒技术白皮书（第二版）总结

核心内容

集成芯片与芯粒技术作为集成电路性能提升的第三条路径，正在成为后摩尔时代的重要发展方向。该技术通过将晶体管预先制造为具有特定功能的芯粒，再通过硅中介层等技术手段将多个芯粒进行集成，从而突破传统单芯片设计的局限，实现更高的集成度、性能和能效。

主要观点

1. 集成芯片的定义与优势

   • 集成芯片是通过芯粒的“分解-组合”设计范式，实现更大芯片尺寸、更高互连密度和更优设计效率。
   • 它突破了传统封装的互连瓶颈，通过芯粒级IP复用与工艺优化，实现芯片的敏捷设计。

2. 集成芯片与芯粒的发展路径

   • 2.5D集成通过硅中介层实现芯粒横向互连，已广泛应用于高性能计算和AI芯片。
   • 3D集成通过硅通孔（TSV）等技术实现芯粒垂直堆叠，提升系统性能与能效。
   • 3.5D集成结合2.5D与3D技术，实现“横向扩展 + 纵向堆叠”的混合集成，成为当前高性能芯片的主要集成方式。

3. 技术发展趋势

   • 芯粒数量持续增加，从2022年的10个左右发展到2025年的64个左右。
   • 芯粒种类日益丰富，包括计算、存储、I/O、传感、图像处理等。
   • 中介层材料从硅扩展到玻璃、碳化硅等，提升尺寸与可靠性。
   • 混合键合技术推动互连节距向百纳米级别微缩，提升互连性能。

4. 国际与国内发展对比

   • 国际上，AMD、Intel、NVIDIA等企业已实现大规模芯粒集成。
   • 国内研究机构和企业在芯粒数量、种类、中介层、键合工艺等方面取得显著进展，如“之江大芯片一号”、“悟空”类脑计算机、“芯斋”硅中介层等。
   • 国内正积极构建自主的芯粒互连标准与生态体系，如HIPI联盟。

关键信息

一、集成芯片与芯粒的相关定义

• 集成芯片：将多个芯粒通过硅中介层进行集成，突破单芯片制造面积限制。
• 芯粒（Chiplet）：具有特定功能、可组合集成的晶片，包括计算、存储、I/O、传感等类型。
• 硅中介层：基于硅工艺制造的载体，用于连接芯粒与封装基板，包含多层互连线、TSV和微凸点等。
• 中介层：作为芯粒与封装基板之间的桥梁，材料包括硅、有机、玻璃等，影响互连性能与封装可靠性。

二、集成芯片与芯粒技术发展现状

1. 芯粒集成范式

   • 2.5D集成已实现“逻辑Die + HBM + 中介层”的主流架构。
   • 3D集成通过TSV实现垂直堆叠，提升互连密度与系统性能。
   • 3.5D集成融合2.5D与3D，实现高带宽与低延迟的平衡。

2. 芯粒数量与种类

   • 国际上，芯粒数量从几个增加到几十个，种类从通用向专用发展。
   • 国内芯粒数量已达到64个，种类涵盖CPU、存储、I/O、AI加速器等。
   • 国内已推出“货架芯粒”概念，实现灵活定制芯片架构。

3. 中介层技术

   • 硅中介层是最早且最成熟的中介层，但成本与面积扩展受限。
   • 有机中介层成本低，但热稳定性差。
   • 玻璃中介层具备低热膨胀、高尺寸可扩展性，成为未来趋势。

4. 键合工艺

   • 混合键合分为W2W（晶圆对晶圆）和D2W（芯片对晶圆）两类。
   • W2W键合技术已实现0.3μm节距，具备高密度与低功耗优势。
   • D2W键合技术仍处于研发阶段，但已取得初步成果，如芯粒表面处理与键合工艺优化。

5. 芯粒间互连

   • 互连带宽突破Tbps级别，性能可与SoC内部互连相媲美。
   • 互连标准如UCle、ARM CSA、国内HIPI联盟推动开放生态建设。
   • 互连技术包括有线、无线、光互连，各有其适用场景。

三、集成芯片与芯粒发展的十大趋势

1. 集成芯片尺寸持续增大
2. 光I/O推动算力网络架构创新
3. HBM成为首个通用芯粒，可配置性增强
4. 大模型催生近存集成新形态
5. 混合键合推动节距向百纳米微缩
6. ABC（Advanced, Base, Core）集成模式开始应用
7. 新材料中介层提升尺寸与可靠性
8. 3.5D集成成为先进封装演进的关键路径
9. 芯粒化设计在旗舰手机芯片中应用
10. 芯粒与RISC-V共建新型计算生态

四、中美项目资助与产业发展比较

• 项目布局：中国以大算力芯片为牵引，推动芯粒集成与EDA协同设计；美国以DARPA项目推动3D-IC与Chips计划。
• 技术路线：中国采用Scale-out策略，强调芯粒扩展与系统优化；美国则侧重Scale-up，追求单芯片性能提升。
• 设计方法学：中国采用自上而下的构造法；美国采用自下而上的堆叠法。
• 指令集与开源政策：中国推动RISC-V开源生态；美国则依赖ARM/x86闭源体系。
• 存储集成路径：中国以HBM为主，美国以堆叠DRAM为主。
• 芯粒生态构建：中国强调开源开放；美国则采用“小院高墙”模式。
• 产业链格局：中国强调自主可控与多元协同；美国主导全球市场，盟友配套。
• 未来格局：随着技术成熟，中国有望形成更开放、灵活的芯粒生态。

五、总结

集成芯片与芯粒技术正在成为推动算力提升与芯片性能突破的重要力量。通过“分解-组合”设计范式，它突破了传统单芯片设计的瓶颈，实现了更高的集成度与性能。随着混合键合、光I/O、HBM等技术的成熟，芯粒集成将向更高密度、更低成本、更灵活的方向发展。同时，国际与国内在技术路线、生态构建与产业链布局上呈现出不同的发展路径，中国正通过自主技术与开放生态推动集成芯片与芯粒的产业化落地。