Chiplet：延续摩尔定律的新技术，芯片测试与先进封装有望获益

2022年8月8日 行业研究 Chiplet：延续摩尔定律的新技术，芯片测试与先进封装有望获益 ——半导体行业跟踪报告之五 电子行业 买入（维持） 作者分析师：刘凯 执业证书编号：S0930517100002021-52523849 kailiu@ebscn.com 行业与沪深300指数对比图 10% -3% -15% -28% -41% 08/2111/2102/2205/22 电子行业沪深300 要点 Chiplet：延续摩尔定律的新技术，在摩尔定律日趋放缓的当下，有望延续摩尔定律的“经济效益”。Chiplet又称芯粒或者小芯片，它是将一类满足特定功能的die（裸片），通过die-to-die内部互联技术实现多个模块芯片与底层基础芯片封装在一起， 形成一个系统芯片，以实现一种新形式的IP复用。目前，主流系统级单芯片（SoC都是将多个负责不同类型计算任务的计算单元，通过光刻的形式制作到同一块晶圆上。比如，目前旗舰级的智能手机的SoC芯片上，基本都集成了CPU、GPU、DSPISP、NPU、Modem等众多的不同功能的计算单元，以及诸多的接口IP，其追求的是高度的集成化，利用先进制程对于所有的单元进行全面的提升。而Chiplet则与之相反，它是将原本一块复杂的SoC芯片，从设计时就先按照不同的计算单元或功能单元对其进行分解，然后每个单元选择最适合的半导体制程工艺进行分别制造，再通过先进封装技术将各个单元彼此互联，最终集成封装为一个系统级芯片组。随着芯片制程的演进，由于设计实现难度更高，流程更加复杂，芯片全流程设计成本大幅增加，“摩尔定律”日趋放缓。在此背景下，Chiplet被业界寄予厚望，或将从另一个维度来延续摩尔定律的“经济效益”。 Chiplet可以大幅提高大型芯片的良率。近年来，随着高性能计算、AI等方面的巨大运算需求，集成更多功能单元和更大的片上存储使得芯片不仅晶体管数量暴增，芯片面积也急剧增大。芯片良率与芯片面积有关，随着芯片面积的增大而下降。一片晶圆能切割出的大芯片数量较少，而一个微小缺陷则可能直接使一颗大芯片报废Chiplet可将单一die面积做小以确保良率，并用高级封装技术把不同的芯粒集成在一起。 Chiplet有利于降低设计的复杂度和设计成本。Chiplet芯片一般采用先进的封装工艺，将小芯片组合代替形成一个大的单片芯片。利用小芯片（具有相对低的面积开销）的低工艺和高良率可以获得有效降低成本开销。除芯片流片制造成本外，研发成本也逐渐占据芯片成本的重要组成部分，通过采用已知合格裸片进行组合，可以有效缩短芯片的研发周期及节省研发投入。同时Chiplet芯片通常集成应用较为广泛和成熟的芯片裸片，可以有效降低了Chiplet芯片的研制风险，从而减少重新流片及封装的次数，有效节省成本。 Chiplet有望降低芯片制造的成本。SoC中具有不同计算单元，以及SRAM、I/O接口、模拟或数模混合元件等。除了逻辑计算单元以外，其他元件并不依赖先进制程也通常能够发挥很好的性能。所以，将SoC进行Chiplet化之后，不同的芯粒可以根据需要来选择合适的工艺制程分开制造，然后再通过先进封装技术进行组装，不需要全部都采用先进的制程在一块晶圆上进行一体化制造，这样可以极大的降低芯片的制造成本。以AMD为例，AMD第二代EPYC服务器处理器Ryzen采用小芯片设计，将先进的台积电7nm工艺制造的CPU模块与更成熟的格罗方德12/14nm工艺制造的I/O模块组合，7nm可满足高算力的需求，12/14nm则降低了制造成本。 全球半导体芯片巨厂纷纷布局Chiplet，Chiplet未来市场空间广阔。AMD、台积电、英特尔、英伟达等芯片巨头厂商嗅到了这个领域的市场机遇，近年来开始纷纷入局Chiplet。AMD最新几代产品都极大受益于“SiP+Chiplet”的异构系统集成模式；另外，近日苹果最新发布的M1Ultra芯片也通过定制的UltraFusion封装架构实现了超强的性能和功能水平，包括2.5TB/s的处理器间带宽。在学术界，美国加州大学、乔治亚理工大学以及欧洲的研究机构近年也逐渐开始针对Chiplet技术涉及到 的互连接口、封装以及应用等问题开始展开研究。据Omdia报告，预计到2024年，Chiplet市场规模将达到58亿美元，2035年则超过570亿美元，市场规模将迎来快速增长。 UCIe：实现Chiplet互联标准的关键。随着Chiplet逐步发展，未来来自不同厂商的芯粒之间的互联需求持续提升。今年三月份出现的UCIe，即UniversalChipletInterconnectExpress，是一种由Intel、AMD、ARM、高通、三星、台积电、日月光、GoogleCloud、Meta和微软等公司联合推出的Die-to-Die互连标准，其主要目的是统一Chiplet（芯粒）之间的互连接口标准，打造一个开放性的Chiplet生态系统。UCIe在解决Chiplet标准化方面具有划时代意义。 借助UCIe平台，未来有望实现更加完整的Chiplet生态系统。UCIe产业联盟发布了涵盖上述标准的UCIe1.0规范。UCIe联盟在官网上公开表示，该联盟需要更多半导体企业的加入，来打造更全面的Chiplet生态系统。同时，加盟的芯片企业越多，意味着该标准将得到更多的认可，也有机会被更广泛的采用。UCIe标准出现的最大意义在于，巨头们合力搭建起了统一的Chiplet互联标准，这将加速推动开放的Chiplet平台发展，并横跨x86、Arm、RISC-V等架构和指令集。在UCIe标准下，未来或许能推出同时集成x86的Chiplet芯片和RISC-V的Chiplet芯片的处理器，并通过架构的混用同时满足PC和移动应用生态的需求。 图表1：Chiplet示意图图表2：UCIe产业联盟成员 资料来源：芯原股份2021年报、光大证券研究所整理资料来源：UCIe网站、光大证券研究所整理 先进封装：将Chiplet真正结合在一起的关键。UCIe联盟为Chiplet指定了多种先进封装技术，包括英特尔EMIB、台积电CoWoS、日月光FoCoS-B等。Chiplet虽然避免了超大尺寸die，但同时也意味着超大尺寸封装，又高度融合晶圆后道工艺，更在封装方面带来了极限技术挑战，如封装加工精度和难度进一步加大，工艺窗口进一步变窄，通用设备比例降低，设备升级需求大等。除此之外，散热和功率分配也是需要考虑的巨大问题。目前头部的IDM厂商、晶圆代工厂以及封测企业都在积极推动不同类型的先进封装技术，以抢占这块市场。 芯片测试：保证Chiplet良率，使Chiplet能够正常运行，测试设备数量和性能都有更高需求。由于Chiplet中封装了多个die，每一个die都不能失效才能保证Chiplet正常运转。过去对于一些较低成本的芯片通常采取抽检，但若采用 Chiplet则需要全检，以确保每一个die都能正常工作。在对异构集成进行测试时，一方面要确保组装的裸晶功能完好，另一方面还要提高裸晶在系统中的自检能力。不同于标准IP，Chiplet设计难度大幅增加，需要产业链上下游厂商协同设计，因此在测试方法上也更加复杂和困难。 后摩尔时代，Chiplet给中国集成电路产业带来了巨大发展机遇。首先，芯片设计环节能够降低大规模芯片设计的门槛；其次半导体IP企业可以更大地发挥自 身的价值，从半导体IP授权商升级为Chiplet供应商，在将IP价值扩大的同时，还有效降低了芯片客户的设计成本，尤其可以帮助系统厂商、互联网厂商这类缺乏芯片设计经验和资源的企业，发展自己的芯片产品；最后，国内的芯片制造与封装厂可以扩大自己的业务范围，提升产线的利用率，尤其是在高端先进工艺技术发展受阻的时候，还可以通过为高端芯片提供基于其他工艺节点的Chiplet来参与前沿技术的发展。 投资建议：Chiplet作为目前受到广泛关注的新技术，给全球和中国的半导体市场带来了变革与机遇，建议积极把握Chiplet技术带来的投资机会，关注：（1）芯原股份：国内领先的一站式芯片定制服务和半导体IP授权服务的企业，利用Chiplet技术进行IP芯片化，有望给公司带来全新商业模式；（2）通富微电：国内领先的封装企业，在先进封装方面公司已大规模生产Chiplet产品，7nm产品已大规模量产，5nm产品已完成研发即将量产；（3）长电科技：国内封装测试龙头企业，近年来重点发展系统级（SiP）、晶圆级和2.5D/3D等先进封装技术，并实现大规模生产；（4）长川科技：国内领先的集成电路测试设备企业，Chiplet芯粒的测试与先进封装将为公司带来新机遇；（5）华峰测控：国内领先的集成电路测试设备企业，同样受益于Chiplet芯粒测试与先进封装带来的机遇；（6）兴森科技：国内IC封装基板领先企业，在应用Chiplet技术的先进封装材料领域有望持续拓展；（7）华大九天：Chiplet技术的应用需要EDA工具的全面支持，公司作为国内EDA龙头，有望在Chiplet领域进行拓展。 净利润（亿元） PE 证券代码 公司名称 市值 表1：重点公司盈利预测与估值表 688521.SH 芯原股份-U （亿元）302 21A 0.13 22E 1.33 23E 2.44 24E 3.92 21A 2,882 22E 226 23E123 24E 77 002156.SZ 通富微电 249 9.57 11.79 15.15 18.44 27 21 16 14 600584.SH 长电科技 508 29.59 33.38 38.53 44.24 19 15 13 11 300604.SZ 长川科技 336 2.18 4.75 7.19 9.44 159 71 47 36 688200.SH 华峰测控 267 4.39 6.24 8.51 11.11 72 43 31 24 002436.SZ 兴森科技 216 6.21 7.30 9.00 11.10 34 30 24 19 301269.SZ 华大九天 684 1.39 1.82 2.40 3.12 491 375 285 219 资料来源：Wind一致性预期，光大证券研究所整理，股价时间为2022-08-05； 风险分析：Chiplet及配套技术发展不及预期，UCIe标准推进不及预期，下游市场需求不及预期。 中庚基金 行业及公司评级体系 评级说明 增持未来6-12个月的投资收益率领先市场基准指数5%至15%； 行买入未来6-12个月的投资收益率领先市场基准指数15%以上业 及 减持未来6-12个月的投资收益率落后市场基准指数5%至15%； 公中性未来6-12个月的投资收益率与市场基准指数的变动幅度相差-5%至5%；司 无评级因无法获取必要的资料，或者公司面临无法预见结果的重大不确定性事件，或者其他原因，致使无法给出明确的投资评级。 评卖出未来6-12个月的投资收益率落后市场基准指数15%以上；级 基准指数说明： A股主板基准为沪深300指数；中小盘基准为中小板指；创业板基准为创业板指；新三板基准为新三板指数；港股基准指数为恒生指数。 分析、估值方法的局限性说明 本报告所包含的分析基于各种假设，不同假设可能导致分析结果出现重大不同。本报告采用的各种估值方法及模型均有其局限性，估值结果不保证所涉及证券能够在该价格交易。 分析师声明 本报告署名分析师具有中国证券业协会授予的证券投资咨询执业资格并注册为证券分析师，以勤勉的职业态度、专业审慎的研究方法，使用合法合规的信息，独立、客观地出具本报告，并对本报告的内容和观点负责。负责准备以及撰写本报告的所有研究人员在此保证，本研究报告中任何关于发行商或证券所发表的观点均如实反映研究人员的个人观点。研究人员获取报酬的评判因素包括研究的质量和准确性、客户反馈、竞争性因素以及光大证券股份有限公司的整体收益。所有研究人员保证他们报酬的任何一部分不曾与，不与，也将不会与本报告中具体的推荐意见或观点