3D IC助攻移動處理器效能再上層樓

移動裝置市場火熱發(fā)展，刺激3D IC快速起飛。尤其在移動裝置增添裸視3D、擴增實境等功能，以及照相機像素與高畫質(zhì)影像分辨率規(guī)格不斷提升下，目前1.5GHz處理速度的處理器已面臨瓶頸，促使芯片業(yè)者采取3D堆棧技術(shù)整合DDR3內(nèi)存，以進一步提高效能。

近期智能型手機又更有進一步的新發(fā)展，如美國CTIA無線通訊科技展中，臺灣宏達電新機HTC EVO 3D正式問世。該智能型手機為宏達電首款采用高通（Qualcomm）1.2GHz處理器，并具備裸視三維（3D）影像的Android 2.3操作系統(tǒng)手機，配備500萬像素3D雙鏡頭，以及130萬像素前視頻鏡頭，支持720p高畫質(zhì)3D和2D影片錄制。

無獨有偶，韓系手機大廠樂金（LG）與三星（Samsung）也陸續(xù)發(fā)表支持裸視3D的智能型手機。樂金Optimus 3D不僅讓使用者可拍攝3D影片并以裸視方式觀賞，還提供的完整3D體驗，涵蓋3D錄像、3D影像觀賞與內(nèi)容分享。三星W960則配備主動矩陣式有機發(fā)光二極管（AMOLED）3D顯示器，分辨率可達240×400像素，并內(nèi)建2D、3D轉(zhuǎn)換模式。

除了裸視3D外，擴增實境（AR）亦為下一波手機內(nèi)建的創(chuàng)新功能；隨著智能型手機等移動裝置納入越來越多的功能，同時既有功能規(guī)格也不斷提升，處理器的處理速度亦須不斷精進，才能符合市場的需求。

有鑒于移動裝置內(nèi)建的功能不斷增加，應(yīng)用處理器（AP）的效能亦須不斷提高，移動裝置處理器大廠包括高通、德州儀器（TI）、意法愛立信（ST-Ericsson）等已開始關(guān)注三維芯片（3D IC）技術(shù)，以期透過3D IC架構(gòu)在處理器上增加更多內(nèi)存容量，進一步提升處理器效能。而處理器業(yè)者的關(guān)注，也讓3D IC的發(fā)展道路更加清晰。

臺灣工業(yè)技術(shù)研究院信息與通訊研究所設(shè)計自動化技術(shù)組組長蒯定明表示，提高處理器效能的最主要的方式即增加內(nèi)存深度，因此現(xiàn)階段移動處理器業(yè)者多以系統(tǒng)封裝（SiP）的方式將處理器與閃存（Flash Memory）整合，不過，這種設(shè)計方式，處理器速度最多僅能達到1.5GHz，若要進一步突破處理器效能，則須改以堆棧動態(tài)隨機存取內(nèi)存（DRAM）的設(shè)計方式，因此處理器廠商已開始朝此方向邁進。

雖然用SiP技術(shù)亦可達成處理器堆棧DRAM的設(shè)計，但其效果將不若采3D IC架構(gòu)的方案。蒯定明解釋，SiP是將要整合的芯片封裝后，再從封裝后的芯片旁邊打線連接到外部，此一方式的連接效能會受到連外打線延遲影響；若采用3D IC架構(gòu)，芯片間的聯(lián)系，與對外聯(lián)絡(luò)都可以直接透過芯片上的打線，可順利解決SiP的問題。由于3D IC具備的優(yōu)勢較SiP佳，因此處理器廠商已開始重視3D IC技術(shù)，并積極投入研發(fā)，對3D IC的發(fā)展而言將是很大的助力。

另一方面，主導DRAM的標準協(xié)會JEDEC提出的Wide I/O新規(guī)范中，開宗明義表示該規(guī)范除了在DRAM上采用五百一十二根I/O接腳外，并強調(diào)支持3D IC架構(gòu)。臺灣工業(yè)技術(shù)研究院信息與通訊研究所設(shè)計自動化技術(shù)組技術(shù)組長周永發(fā)指出，如此一來，移動裝置處理器廠商若要導入DRAM以提高處理器整體效能，未來將不得不采用3D IC技術(shù)，這也是讓處理廠商開始重視3D IC的主要因素。

蒯定明補充，JEDEC所提的新規(guī)范目前仍為草案階段，預計2012年底定，預期未來DDR4也可能采用。

嚴格來說，目前僅內(nèi)存已正式導入3D IC技術(shù)，相關(guān)業(yè)者如三星、爾必達（Elpida）均積極研發(fā)3D IC技術(shù)，但伴隨移動裝置對于處理器效能與尺寸的要求越來越嚴苛，目前包括高通、意法愛立信、德州儀器和輝達（NVIDIA）皆已積極發(fā)展3D IC架構(gòu)，甚至聯(lián)發(fā)科也相當關(guān)心3D IC技術(shù)的進展。蒯定明認為，在處理器業(yè)者的努力下，即使未來3D IC不會成為各種芯片產(chǎn)品必然采用的技術(shù)，但對其整體的發(fā)展仍將有相當大的推動力。

受到移動裝置在外型尺寸上的持續(xù)輕薄化，以及更多元功能的發(fā)展，處理器廠商已開始進行更高整合度產(chǎn)品的研發(fā)，而提高處理器效能其中一種方法即為半導體先進制程技術(shù)。安謀國際（ARM）策略營銷處長Ron Mooire表示，雖然系統(tǒng)單芯片（SoC）在每個制程世代的演進中皆可持續(xù)縮小15%的芯片尺寸，但在低功耗與高速處理速度上將面臨極大的技術(shù)門坎，因此許多廠商開始關(guān)注3D IC架構(gòu)的研發(fā)，如臺積電、三星與全球晶圓（GlobalFoundries）等。

3D IC可異質(zhì)整合更多種類的芯片，因此移動裝置業(yè)者冀望透過處理器整合更多的DRAM，來提升效能。Mooire指出，由于摩爾定律已走到瓶頸，再加上SiP技術(shù)封裝組件的效能有限，因此移動裝置主處理器業(yè)者在多方考慮下，即便未來仍將持續(xù)走到14納米制程，但3D IC將是其產(chǎn)品下一階段另一重要發(fā)展技術(shù)。

據(jù)了解，目前高通與德州儀器仍是采用SiP技術(shù)封裝處理器與內(nèi)存，預期未來將采用3D IC架構(gòu)。

安謀國際身為移動處理器硅智財（IP）龍頭業(yè)者，亦積極協(xié)助處理器廠商不斷透過SoC或3D IC等技術(shù)提升效能。Mooire認為，雖然安謀國際僅為IP廠商，看似與實際的芯片產(chǎn)品無直接關(guān)系，但安謀國際在IP核心架構(gòu)中結(jié)合處理器、繪圖處理器（GPU）與內(nèi)存的子系統(tǒng)（Sub-system），已就3D IC技術(shù)所需進行微調(diào)，并與晶圓廠維持密切的合作，進行3D IC的測試，因此安謀國際的合作伙伴中，第一級（Tier One）處理器業(yè)者已計劃采用3D IC的架構(gòu)。

Mooire并強調(diào)，未來無論是手機或平板裝置（Tablet Device）等移動裝置，甚至個人計算機（PC）都會日趨輕薄，因此3D IC將更有機會被采納。

晶圓代工廠技術(shù)掌握度高

看準未來3D IC將是半導體產(chǎn)業(yè)勢在必行的發(fā)展趨勢，臺灣創(chuàng)意電子正積極透過SiP技術(shù)的基礎(chǔ)，進一步跨進3D IC技術(shù)的研發(fā)。由于3D IC發(fā)展過程中遇到的挑戰(zhàn)與SiP大致類似，因此創(chuàng)意電子在SoC與SiP所累積的豐富經(jīng)驗，無疑成為其挺進3D IC市場最佳的技術(shù)后盾。

臺灣創(chuàng)意電子營運處SiP/ 3D IC項目處長林崇銘表示，未來印刷電路板面積將持續(xù)縮減，芯片設(shè)計勢必走向更高整合度，所以半導體業(yè)者必須藉由3D IC堆棧芯片技術(shù)來減少采用的芯片數(shù)量；而發(fā)展3D IC所面臨的問題，如半導體設(shè)計自動化（EDA）工具不完備，以及如何確保已知良裸晶（Known Good Die）來源等，其實與SiP極為相似，且更加復雜，因此，若無扎實的SiP技術(shù)發(fā)展基石，則遑論3D IC的研發(fā)。
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林崇銘進一步指出，雖然3D IC的問題較SiP復雜許多，但是憑借創(chuàng)意電子在SiP設(shè)計領(lǐng)域打下的深厚基礎(chǔ)，將可順利解決3D IC技術(shù)面所遭遇的挑戰(zhàn)，這也是創(chuàng)意電子毅然決定跨入3D IC的重要因素。

目前創(chuàng)意電子在3D IC的發(fā)展尚在起步階段，林崇銘表示，現(xiàn)階段創(chuàng)意電子業(yè)務(wù)來源仍以SoC與SiP為主，3D IC技術(shù)仍未有客戶，預期2013年，3D IC整體生態(tài)鏈的建構(gòu)更完備、市場更成熟之后，創(chuàng)意電子3D IC的業(yè)務(wù)才會開始起飛，屆時將鎖定移動裝置與高效能組件市場，初步將先整合邏輯與內(nèi)存，或邏輯與模擬組件，抑或邏輯組件堆棧。在此之前，創(chuàng)意電子也將先建立2.5D芯片堆棧技術(shù)，以順利升級至3D IC。

事實上，目前阻礙業(yè)者導入3D IC的一大因素，在于成本過高。林崇銘認為，現(xiàn)階段，3D IC整體供應(yīng)鏈尚未建置完全是不爭的事實，導致3D IC成本過高，不過，此一雞生蛋、蛋生雞的問題，預計短時間內(nèi)將可順利解決，原因在于半導體業(yè)者對于3D堆棧技術(shù)需求已逐漸涌現(xiàn)，不論是采用硅穿孔（TSV）技術(shù)實現(xiàn)的3D IC，或英特爾提出的三閘極（Tri-gate）3D晶體管結(jié)構(gòu)，皆已漸成氣候，意味相關(guān)供應(yīng)鏈亦已有初步的準備，因此未來3D IC的發(fā)展與生態(tài)系統(tǒng)將可望更趨完備。

3D IC儼然已成為未來超越摩爾定律的重要技術(shù)，因而吸引包括晶圓代工廠及封裝廠紛紛搶進。然而，由于硅穿孔技術(shù)在晶圓制造前段即須進行，因此晶圓代工廠掌握的技術(shù)層級較封裝廠高，在3D IC的技術(shù)與市場發(fā)展較具優(yōu)勢。

臺灣南臺科技大學電子系教授唐經(jīng)洲表示，硅穿孔為3D IC最重要的技術(shù)，采用硅穿孔技術(shù)的芯片產(chǎn)品才能稱為3D IC，而要進行硅穿孔，較佳的方式是在硅晶圓制造過程中即先行鉆孔，如此一來，遭遇的問題將較少，而晶圓前段制程各項技術(shù)屬晶圓廠最為熟知，自然晶圓廠商在3D IC的制造可掌握較多關(guān)鍵技術(shù)。

不過，對封裝業(yè)者而言，3D IC自然也是不可忽略的商機。唐經(jīng)洲指出，3D IC屬于SiP技術(shù)的一環(huán)，擅于將各式晶圓進行封裝工作的封裝廠，亦躍躍欲試。然而，礙于封裝廠的技術(shù)多屬于晶圓后段制程，若要取得已經(jīng)過硅穿孔的晶圓半成品，依舊須從晶圓廠購得，抑或者再投入龐大的資金建置前段制程，惟目前3D IC發(fā)展尚未相當明朗，封裝業(yè)者對于龐大的投資能否達到平衡或進一步回收，仍抱持觀望態(tài)度，以致于封裝業(yè)者在3D IC市場的主導性不若晶圓廠。

雖然目前封裝廠在3D IC市場優(yōu)勢較為薄弱，但并不代表封裝廠在芯片立體堆棧的市場將完全沒有機會。唐經(jīng)洲認為，3D IC硅穿孔技術(shù)畢竟技術(shù)門坎仍相當高，成本依然高昂，因此許多對3D IC有興趣的業(yè)者，如應(yīng)用處理器大廠，即先選擇采用2.5D架構(gòu)，作為進入3D IC的基礎(chǔ)。唐經(jīng)洲強調(diào)，2.5D架構(gòu)僅純粹的芯片堆棧，毋須硅穿孔，因此技術(shù)難度相對較低，封裝廠可掌握2.5D封裝的關(guān)鍵技術(shù)，因此現(xiàn)階段封裝廠包括日月光、硅品皆已投入2.5D封裝技術(shù)的發(fā)展。

專門提供IC制造設(shè)備的住程（SPTS）營銷副總裁David Butler亦表示，就該公司客戶的發(fā)展情形來看，2.5D將是半導體產(chǎn)業(yè)前進3D IC架構(gòu)的第一步，包括封測業(yè)者與晶圓代工業(yè)者目前研發(fā)重點皆以2.5D為主，并計劃以此為基礎(chǔ)發(fā)展3D IC。

陳瑞銘：3D IC市場尚未全面啟動

觀察整體半導體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，2011年第三季旺季不旺已成必然，但第四季與2012年，隨著微軟（Microsoft）Windows 7移動裝置產(chǎn)品的問世與超微（AMD）試圖將x86技術(shù)進行新的應(yīng)用，如透過40或28納米實現(xiàn)更低功耗芯片，以及Windows 8將可支持安謀國際、英特爾與超微架構(gòu)，這些非蘋果（Apple）陣營移動裝置新一波的市場高潮，將更帶動整體半導體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，除了促進SoC加速朝先進制程發(fā)展外，3D IC將是另一個受惠的技術(shù)。

惠瑞捷（Verigy）臺灣分公司總經(jīng)理陳瑞銘表示，3D IC受到矚目的原因，除了可提高整合度與處理器效能外，更重要的是，毋須透過最先進的制程即可完成，因此主要的晶圓廠與行動處理器廠商勢必進入3D IC的研發(fā)。

不過，3D IC硅穿孔技術(shù)卻也帶來許多挑戰(zhàn)，陳瑞銘指出，硅穿孔技術(shù)仍在初步發(fā)展階段，技術(shù)質(zhì)量仍不穩(wěn)定，且磨薄晶圓的技術(shù)門坎也很大，加上產(chǎn)業(yè)生態(tài)鏈未建立完全，也沒有統(tǒng)一的標準可供業(yè)者遵循。此外，如何測試3D IC質(zhì)量亦為一大學問，因此3D IC的市場尚未全面啟動，反而是利用在基板上長晶、毋須鉆孔的2.5D技術(shù)將成為SiP進展到3D IC的過渡技術(shù)。此外，2.5D亦已標準化，以此標準為基礎(chǔ)也將加速3D IC標準的問世。

除了技術(shù)的挑戰(zhàn)外，成本亦為3D IC發(fā)展不順遂的原因。蒯定明指出，由于目前3D IC產(chǎn)業(yè)鏈并未建置完全，因此3D IC的成本仍然相當高昂，導致3D IC將不會成為普遍使用的芯片技術(shù)，且應(yīng)用產(chǎn)品也將鎖定于對高成本組件接受度較大的高階產(chǎn)品。

綜上所述，移動裝置無疑是助長3D IC發(fā)展的主要推手，即便仍有諸多挑戰(zhàn)待解，3D IC市場起飛已指日可待。日前剛結(jié)束的SEMICON Taiwan中，日月光集團總經(jīng)理暨研發(fā)長唐和明即表示，3D IC將是后PC時代，亦即移動運算時代的主流，即使全球經(jīng)濟發(fā)展速度減緩，各廠推動研發(fā)腳步并不停歇。今年以來從上游IC設(shè)計、整合組件制造商（IDM）、晶圓代工廠，到后段封測廠及系統(tǒng)整合廠商，都朝制定邏輯IC和內(nèi)存連結(jié)的共同標準邁進，2011年底即可看到成果，并做為業(yè)者開發(fā)的依據(jù)，預計2013年將為3D IC起飛元年。