芯片的未來靠哪些技術(shù)？

先進(jìn)制程與先進(jìn)封裝成為延續(xù)摩爾定律的關(guān)鍵技術(shù)，2.5D、3D 和Chiplets 等技術(shù)在近年來成為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的熱門議題。人工智能、車聯(lián)網(wǎng)、5G 等應(yīng)用相繼興起，且皆須使用到高速運(yùn)算、高速傳輸、低延遲、低耗能的先進(jìn)功能芯片;隨著運(yùn)算需求呈倍數(shù)成長(zhǎng)，究竟要如何延續(xù)摩爾定律，成為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的一大挑戰(zhàn)。

先進(jìn)封裝是如何在延續(xù)摩爾定律上扮演關(guān)鍵角色?而2.5D、3D 和Chiplets 等封裝技術(shù)又有何特點(diǎn)?

一、芯片微縮愈加困難，異構(gòu)整合由此而生

換言之，半導(dǎo)體先進(jìn)制程紛紛邁入了7 納米、5 納米，接著開始朝3 納米和2 納米邁進(jìn)，電晶體大小也因此不斷接近原子的物理體積限制，電子及物理的限制也讓先進(jìn)制程的持續(xù)微縮與升級(jí)難度越來越高。

也因此，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)除了持續(xù)發(fā)展先進(jìn)制程之外，也「山不轉(zhuǎn)路轉(zhuǎn)」地開始找尋其他既能讓芯片維持小體積，同時(shí)又保有高效能的方式;而芯片的布局設(shè)計(jì)，遂成為延續(xù)摩爾定律的新解方，異構(gòu)整合(Heterogeneous Integration Design Architecture System，HIDAS)概念便應(yīng)運(yùn)而生，同時(shí)成為IC 芯片的創(chuàng)新動(dòng)能。

所謂的異構(gòu)整合，廣義而言，就是將兩種不同的芯片，例如記憶體+邏輯芯片、光電+電子元件等，透過封裝、3D 堆疊等技術(shù)整合在一起。換句話說，將兩種不同制程、不同性質(zhì)的芯片整合在一起，都可稱為是異構(gòu)整合。

因?yàn)閼?yīng)用市場(chǎng)更加的多元，每項(xiàng)產(chǎn)品的成本、性能和目標(biāo)族群都不同，因此所需的異構(gòu)整合技術(shù)也不盡相同，市場(chǎng)分眾化趨勢(shì)逐漸浮現(xiàn)。為此，IC 代工、制造及半導(dǎo)體設(shè)備業(yè)者紛紛投入異構(gòu)整合發(fā)展，2.5D、3D 封裝、Chiplets 等現(xiàn)今熱門的封裝技術(shù)，便是基于異構(gòu)整合的想法，如雨后春筍般浮現(xiàn)。

二、2.5D 封裝有效降低芯片生產(chǎn)成本

過往要將芯片整合在一起，大多使用系統(tǒng)單封裝(System in a Package，SiP)技術(shù)，像是PiP(Package in Package)封裝、PoP(Package on Package)封裝等。然而，隨著智能手機(jī)、AIoT 等應(yīng)用，不僅需要更高的性能，還要保持小體積、低功耗，在這樣的情況下，必須想辦法將更多的芯片堆積起來使體積再縮小，因此，目前封裝技術(shù)除了原有的SiP 之外，也紛紛朝向立體封裝技術(shù)發(fā)展。

立體封裝概略來說，意即直接使用硅晶圓制作的「硅中介板」(Silicon interposer)，而不使用以往塑膠制作的「導(dǎo)線載板」，將數(shù)個(gè)功能不同的芯片，直接封裝成一個(gè)具更高效能的芯片。換言之，就是朝著芯片疊高的方式，在硅上面不斷疊加硅芯片，改善制程成本及物理限制，讓摩爾定律得以繼續(xù)實(shí)現(xiàn)。

而立體封裝較為人熟知的是2.5D 與3D 封裝，這邊先從2.5D 封裝談起。所謂的2.5D 封裝，主要的概念是將處理器、記憶體或是其他的芯片，并列排在硅中介板(Silicon Interposer)上，先經(jīng)由微凸塊(Micro Bump)連結(jié)，讓硅中介板之內(nèi)金屬線可連接不同芯片的電子訊號(hào);接著再透過硅穿孔(TSV)來連結(jié)下方的金屬凸塊(Solder Bump)，再經(jīng)由導(dǎo)線載板連結(jié)外部金屬球，實(shí)現(xiàn)芯片、芯片與封裝基板之間更緊密的互連。

2.5D和3D封裝是熱門的立體封裝技術(shù)。(Source：ANSYS)

目前為人所熟知的2.5D 封裝技術(shù)，不外乎是臺(tái)積電的CoWoS。CoWoS 技術(shù)概念，簡(jiǎn)單來說是先將半導(dǎo)體芯片(像是處理器、記憶體等)，一同放在硅中介層上，再透過Chip on Wafer(CoW)的封裝制程連接至底層基板上。換言之，也就是先將芯片通過Chip on Wafer(CoW)的封裝制程連接至硅晶圓，再把CoW 芯片與基板連接，整合成CoWoS;利用這種封裝模式，使得多顆芯片可以封裝到一起，透過Si Interposer 互聯(lián)，達(dá)到了封裝體積小，功耗低，引腳少的效果。

臺(tái)積電CoWos封裝技術(shù)概念。(Source：臺(tái)積電)

除了CoWos 外，扇出型晶圓級(jí)封裝也可歸為2.5D 封裝的一種方式。扇出型晶圓級(jí)封裝技術(shù)的原理，是從半導(dǎo)體裸晶的端點(diǎn)上，拉出需要的電路至重分布層(Redistribution Layer)，進(jìn)而形成封裝。因此不需封裝載板，不用打線(Wire)、凸塊(Bump)，能夠降低30% 的生產(chǎn)成本，也讓芯片更薄。同時(shí)也讓芯片面積減少許多，也可取代成本較高的直通硅晶穿孔，達(dá)到透過封裝技術(shù)整合不同元件功能的目標(biāo)。

當(dāng)然，立體封裝技術(shù)不只有2.5D，還有3D 封裝。那么，兩者之間的差別究竟為何，而3D 封裝又有半導(dǎo)體業(yè)者正在采用?

相較于2.5D 封裝，3D 封裝的原理是在芯片制作電晶體(CMOS)結(jié)構(gòu)，并且直接使用硅穿孔來連結(jié)上下不同芯片的電子訊號(hào)，以直接將記憶體或其他芯片垂直堆疊在上面。此項(xiàng)封裝最大的技術(shù)挑戰(zhàn)便是，要在芯片內(nèi)直接制作硅穿孔困難度極高，不過，由于高效能運(yùn)算、人工智能等應(yīng)用興起，加上TSV 技術(shù)愈來愈成熟，可以看到越來越多的CPU、GPU 和記憶體開始采用3D 封裝。

3D封裝是直接將芯片堆疊起來。(Source：英特爾)

三、臺(tái)積電、英特爾積極發(fā)展3D 封裝技術(shù)

在3D 封裝上，英特爾(Intel)和臺(tái)積電都有各自的技術(shù)。英特爾采用的是「Foveros」的3D 封裝技術(shù)，使用異構(gòu)堆疊邏輯處理運(yùn)算，可以把各個(gè)邏輯芯片堆棧一起。也就是說，首度把芯片堆疊從傳統(tǒng)的被動(dòng)硅中介層與堆疊記憶體，擴(kuò)展到高效能邏輯產(chǎn)品，如CPU、繪圖與AI 處理器等。以往堆疊僅用于記憶體，現(xiàn)在采用異構(gòu)堆疊于堆疊以往僅用于記憶體，現(xiàn)在采用異構(gòu)堆疊，讓記憶體及運(yùn)算芯片能以不同組合堆疊。

另外，英特爾還研發(fā)3 項(xiàng)全新技術(shù)，分別為Co-EMIB、ODI 和MDIO。Co-EMIB 能連接更高的運(yùn)算性能和能力，并能夠讓兩個(gè)或多個(gè)Foveros 元件互連，設(shè)計(jì)人員還能夠以非常高的頻寬和非常低的功耗連接模擬器、記憶體和其他模組。ODI 技術(shù)則為封裝中小芯片之間的全方位互連通訊提供了更大的靈活性。頂部芯片可以像EMIB 技術(shù)一樣與其他小芯片進(jìn)行通訊，同時(shí)還可以像Foveros 技術(shù)一樣，通過硅通孔(TSV)與下面的底部裸片進(jìn)行垂直通訊。

英特爾Foveros技術(shù)概念。(Source：英特爾)

同時(shí)，該技術(shù)還利用大的垂直通孔直接從封裝基板向頂部裸片供電，這種大通孔比傳統(tǒng)的硅通孔大得多，其電阻更低，因而可提供更穩(wěn)定的電力傳輸;并透過堆疊實(shí)現(xiàn)更高頻寬和更低延遲。此一方法減少基底芯片中所需的硅通孔數(shù)量，為主動(dòng)元件釋放了更多的面積，優(yōu)化裸片尺寸。

而臺(tái)積電，則是提出「3D 多芯片與系統(tǒng)整合芯片」(SoIC)的整合方案。此項(xiàng)系統(tǒng)整合芯片解決方案將不同尺寸、制程技術(shù)，以及材料的已知良好裸晶直接堆疊在一起。

臺(tái)積電提到，相較于傳統(tǒng)使用微凸塊的3D 積體電路解決方案，此一系統(tǒng)整合芯片的凸塊密度與速度高出數(shù)倍，同時(shí)大幅減少功耗。此外，系統(tǒng)整合芯片是前段制程整合解決方案，在封裝之前連結(jié)兩個(gè)或更多的裸晶;因此，系統(tǒng)整合芯片組能夠利用該公司的InFO 或CoWoS 的后端先進(jìn)封裝技術(shù)來進(jìn)一步整合其他芯片，打造一個(gè)強(qiáng)大的「3D×3D」系統(tǒng)級(jí)解決方案。

此外，臺(tái)積電亦推出3DFabric，將快速成長(zhǎng)的3DIC 系統(tǒng)整合解決方案統(tǒng)合起來，提供更好的靈活性，透過穩(wěn)固的芯片互連打造出強(qiáng)大的系統(tǒng)。藉由不同的選項(xiàng)進(jìn)行前段芯片堆疊與后段封裝，3DFabric 協(xié)助客戶將多個(gè)邏輯芯片連結(jié)在一起，甚至串聯(lián)高頻寬記憶體(HBM)或異構(gòu)小芯片，例如類比、輸入/輸出，以及射頻模組。3DFabric 能夠結(jié)合后段3D 與前段3D 技術(shù)的解決方案，并能與電晶體微縮互補(bǔ)，持續(xù)提升系統(tǒng)效能與功能性，縮小尺寸外觀，并且加快產(chǎn)品上市時(shí)程。

在介紹完2.5D 和3D 之后，近來還有Chiplets 也是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)熱門的先進(jìn)封裝技術(shù)之一;最后，就來簡(jiǎn)單說明Chiplets 的特性和優(yōu)勢(shì)。

除了2.5D 和3D 封裝之外，Chiplets 也是備受關(guān)注的技術(shù)之一。由于電子終端產(chǎn)品朝向高整合趨勢(shì)發(fā)展，對(duì)于高效能芯片需求持續(xù)增加，但隨著摩爾定律逐漸趨緩，在持續(xù)提升產(chǎn)品性能過程中，如果為了整合新功能芯片模組而增大芯片面積，將會(huì)面臨成本提高和低良率問題。因此，Chiplets 成為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)因摩爾定律面臨瓶頸所衍生的技術(shù)替代方案。

四、Chiplets就像拼圖一樣，把小芯片組成大芯片

Chiplets 的概念最早源于1970 年代誕生的多芯片模組，其原理大致而言，即是由多個(gè)同質(zhì)、異構(gòu)等較小的芯片組成大芯片，也就是從原來設(shè)計(jì)在同一個(gè)SoC 中的芯片，被分拆成許多不同的小芯片分開制造再加以封裝或組裝，故稱此分拆之芯片為小芯片Chiplets。

由于先進(jìn)制程成本急速上升，不同于SoC 設(shè)計(jì)方式，將大尺寸的多核心的設(shè)計(jì)，分散到較小的小芯片，更能滿足現(xiàn)今的高效能運(yùn)算處理器需求;而彈性的設(shè)計(jì)方式不僅提升靈活性，也能有更好的良率及節(jié)省成本優(yōu)勢(shì)，并減少芯片設(shè)計(jì)時(shí)程，加速芯片Time to market 時(shí)間。

使用Chiplets 有三大好處。因?yàn)橄冗M(jìn)制程成本非常高昂，特別是模擬電路、I/O 等愈來愈難以隨著制程技術(shù)縮小，而Chiplets 是將電路分割成獨(dú)立的小芯片，并各自強(qiáng)化功能、制程技術(shù)及尺寸，最后整合在一起，以克服制程難以微縮的挑戰(zhàn)。此外，基于Chiplets 還可以使用現(xiàn)有的成熟芯片降低開發(fā)和驗(yàn)證成本。

目前已有許多半導(dǎo)體業(yè)者采用Chiplets 方式推出高效能產(chǎn)品。像是英特爾的Intel Stratix 10 GX 10M FPGA 便是采用Chiplets 設(shè)計(jì)，以達(dá)到更高的元件密度和容量。該產(chǎn)品是以現(xiàn)有的Intel Stratix 10 FPGA 架構(gòu)及英特爾先進(jìn)的嵌入式多芯片互連橋接(EMIB)技術(shù)為基礎(chǔ)，運(yùn)用了EMIB 技術(shù)融合兩個(gè)高密度Intel Stratix 10 GX FPGA 核心邏輯芯片以及相應(yīng)的I /O 單元。至于AMD 第二代EPYC 系列處理器也是如此。有別于第一代將Memory 與I/O 結(jié)合成14 納米CPU 的Chiplet 方式，第二代是把I/O 與Memory 獨(dú)立成一個(gè)芯片，并將7 納米CPU 切成8 個(gè)Chiplets 進(jìn)行組合。

過去的芯片效能都仰賴半導(dǎo)體制程的改進(jìn)而提升，但隨著元件尺寸越來越接近物理極限，芯片微縮難度越來越高，要保持小體積、高效能的芯片設(shè)計(jì)，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)不僅持續(xù)發(fā)展先進(jìn)制程，同時(shí)也朝芯片架構(gòu)著手改進(jìn)，讓芯片從原先的單層，轉(zhuǎn)向多層堆疊。