芯片產(chǎn)業(yè)進(jìn)入“異質(zhì)整合”新時(shí)代

 我們正邁向一個(gè)有AI、AR/VR以及自動(dòng)駕駛車輛等眾多創(chuàng)新應(yīng)用問世的新時(shí)代，但大多數(shù)芯片業(yè)者似乎還不確定該如何因應(yīng)這個(gè)新世界所帶來的挑戰(zhàn)…特別是當(dāng)摩爾定律(Moore’s Law)已經(jīng)接近經(jīng)濟(jì)學(xué)上的極限，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)接下來該往哪個(gè)方向走?

在25年的時(shí)間內(nèi)，當(dāng)Facebook、Google與Amazon透過自己設(shè)計(jì)芯片稱霸全球市場(chǎng)之后，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的面貌會(huì)有什么變化?在某種程度上，我們已經(jīng)看到未來、而且它已經(jīng)發(fā)生：大數(shù)據(jù)分析、人工智能(AI)、擴(kuò)增/虛擬現(xiàn)實(shí)(AR/VR)、自動(dòng)駕駛車輛等新技術(shù)已經(jīng)問世──雖然未臻完美之境。

盡管如此，大多數(shù)芯片設(shè)計(jì)工程師甚至無法想象那樣一個(gè)大無畏的新世界，更別說那些他們必須保持在流行前線的創(chuàng)新發(fā)明;但讓工程師們頭痛的一個(gè)問題是，產(chǎn)業(yè)發(fā)展的方向全然不確定。隨著摩爾定律(Moore’s Law)接近「經(jīng)濟(jì)上的死角」，對(duì)大多數(shù)芯片供應(yīng)商(除非是Intel或Samsung等大廠)來說，該轉(zhuǎn)往其他哪個(gè)方向?

2016年7月，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)(SIA)發(fā)表最后一期的國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)藍(lán)圖(ITRS)報(bào)告(參考連結(jié))，這意味著產(chǎn)業(yè)界已經(jīng)承認(rèn)摩爾定律不只是速度趨緩，而是產(chǎn)業(yè)界需要新的工具、統(tǒng)計(jì)圖表與程序，來定義技術(shù)研發(fā)之間的差距所在，以及在這個(gè)連結(jié)性更強(qiáng)的世界該何去何從。這也是臺(tái)灣IC設(shè)計(jì)公司鈺創(chuàng)(Etron)創(chuàng)辦人、董事長(zhǎng)暨首席執(zhí)行官盧超群(Nicky Lu)要出力的地方。

鈺創(chuàng)(Etron)創(chuàng)辦人、董事長(zhǎng)暨首席執(zhí)行官盧超群(Nicky Lu) (來源：EE Times)

盧超群一直在提倡“異質(zhì)整合”(heterogeneous integration，HI)，他推廣這個(gè)概念是因?yàn)榘雽?dǎo)體產(chǎn)業(yè)至少必須要脫離對(duì)工藝節(jié)點(diǎn)微縮的癡迷;為了取得成長(zhǎng)動(dòng)力，產(chǎn)業(yè)界必須以“不同技術(shù)的異質(zhì)整合”來創(chuàng)新。

不過盧超群所提倡的HI并非異質(zhì)整合SoC、系統(tǒng)級(jí)封裝(SiP)或多芯片模塊(MCM)，而是一種“整體化(holistically)的整合性解決方案”，牽涉系統(tǒng)設(shè)計(jì)、算法與軟件，結(jié)合不同的硅組件如SoC、DRAM、閃存、ADC/DAC、電源管理、安全芯片，以及可靠性控制組件。

到目前為止，芯片產(chǎn)業(yè)在SiP技術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)有大幅度的進(jìn)展;盧超群表示：“在2018年的現(xiàn)在，我已經(jīng)看到市場(chǎng)對(duì)于更復(fù)雜HI的需求，實(shí)際上不只整合硅芯片，還包括非硅材料。”

HI背后的三個(gè)IEEE學(xué)會(huì)

電子測(cè)試業(yè)者3MTS (Third Millennium Test Solutions)董事長(zhǎng)Bill Bottoms表示，訂定“異質(zhì)整合藍(lán)圖(Heterogeneous Integration Roadmap，HIR)”的基礎(chǔ)工作在2015年展開，當(dāng)時(shí)SIA與一個(gè)IEEE學(xué)會(huì)簽署了合作備忘錄，由Bottooms以及日月光(ASE)的院士William Chen擔(dān)任HIR委員會(huì)的共同主席。

2016年，HIR獲得三個(gè)IEEE學(xué)會(huì)的正式贊助，包括電子封裝學(xué)會(huì)(Electronics Packaging Society，EPS)、電子組件學(xué)會(huì)(Electronic Devices Society，EDS)以及光子學(xué)會(huì)(Photonics Society);國(guó)際半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)(SEMI)以及美國(guó)機(jī)械工程師學(xué)會(huì)(American Society of Mechanical Engineers，ASME)的電子與光子封裝分會(huì)(Electronic and Photonic Packaging Division，EPPD)也加入了HIR訂定工作。

從去年開始一切步入正軌。隨著HIR委員會(huì)在世界各地舉辦研討會(huì)宣傳其使命，“總共有接近1,000位科學(xué)家、研究人員與資深工程師出席我們的活動(dòng)并承諾參與HIR;”Bottoms表示，在委員會(huì)成員方面，“我們致力于將標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量維持非常高的水平，我們只選擇那些擁有技術(shù)證照，并且真正愿意為每個(gè)技術(shù)工作小組貢獻(xiàn)力量的人。”

Bottoms解釋，一般只是想吸收信息的市場(chǎng)旁觀者不會(huì)被委員會(huì)接納;他所定義的HIR委員會(huì)任務(wù)范圍是：“定義我們需要克服的困難挑戰(zhàn)，以因應(yīng)未來15年、25年新興研究領(lǐng)域之技術(shù)需求。”他指出，該組織正在開發(fā)一個(gè)“競(jìng)爭(zhēng)前期”(pre-competitive)藍(lán)圖，而集中產(chǎn)業(yè)界資源去規(guī)劃未來，會(huì)比多頭馬車各自努力更有效率。

HIR委員會(huì)將具潛力的首要整合技術(shù)解決方案視為“復(fù)雜的SiP結(jié)構(gòu)”。Bottoms表示，在很多方面，產(chǎn)業(yè)界開始關(guān)注將硅組件與非硅材料整合在單一封裝中的產(chǎn)品;“一個(gè)很好的HI案例是Intel的光子光學(xué)收發(fā)器(photonics optical transceivers)，”他解釋，Intel以硅晶圓平面制造技術(shù)支持電-光收發(fā)器的量產(chǎn)。

另一個(gè)案例是Apple Watch 2采用之第二代SiP技術(shù)“S2”;與第一代技術(shù)S1一樣，該SiP模塊在一個(gè)模塊中混合了不同封裝形式，包含能以裸晶堆棧的零組件(例如CSP、WLP等封裝)、傳統(tǒng)的打線封裝，甚至是層迭封裝(package-on-package)等多芯片的配置，或是多芯片堆棧的DRAM、NAND閃存。

Bottoms表示：“Apple到目前為止已經(jīng)將SiP概念推向未來──這是一條前人未走過的路。”如拆解分析機(jī)構(gòu)TechInsights的Apple Watch 2拆解報(bào)告寫道：“S2封裝內(nèi)含超過42顆芯片!在這種小型封裝中有非常多芯片。”對(duì)于S2內(nèi)部的98個(gè)互連，Bottoms表示驚嘆。

對(duì)盧超群來說，沒有其他事情比看到HI幕后勢(shì)力漸長(zhǎng)更讓他開心;他接受EE Times訪問時(shí)表示，異質(zhì)整合不再只是他自己一頭熱，而是已經(jīng)廣布于電子產(chǎn)品。

在今年稍早，盧超群于一場(chǎng)在美國(guó)硅谷舉行的IEEE會(huì)議上發(fā)表題為“透過異質(zhì)整合技術(shù)實(shí)現(xiàn)的AI與Silicon 4.0時(shí)代協(xié)同成長(zhǎng)”(Synergistic Growth of AI and Silicon Age 4.0 through Heterogeneous Integration of Technologies)的演說;他表示：“有很多人在聽了我的演講后來找我，他們都非常興奮。”

為何那些人如此興奮?盧超群的演說并非關(guān)于異質(zhì)整合技術(shù)細(xì)節(jié)，而是將焦點(diǎn)集中在擴(kuò)大半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的研發(fā)范圍?，F(xiàn)在芯片產(chǎn)業(yè)已經(jīng)不再押注工藝的持續(xù)微縮，他認(rèn)為產(chǎn)業(yè)界可以將知識(shí)應(yīng)用于更大的任務(wù)，而下一步是在跨不同領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)“普適智能”(pervasive intelligence)，從AI、人類、自然界到生物、細(xì)胞、細(xì)菌以及醫(yī)療智能。

盧超群解釋，探討下一代AI芯片的優(yōu)化設(shè)計(jì)是一回事，人人都在做;但如果產(chǎn)業(yè)界需要能延伸至未來25年的“技術(shù)藍(lán)圖”，最好要開始著墨普適智能。在進(jìn)一步了解盧超群所定義的普適智能之前，得先了解他對(duì)異質(zhì)整合的興趣是如何演變而來…

盧超群在臺(tái)灣地區(qū)出生、受教育，后來赴美深造取得斯坦福大學(xué)(Stanford University)的電子工程碩士與博士學(xué)位;IBM Research是他職業(yè)生涯的起點(diǎn)，最為人所知的是他參與發(fā)明了3D-DRAM技術(shù)，以及開發(fā)了高速CMOS DRAM (HSDRAM)。

數(shù)十年來，這位技術(shù)高手用他具感染力的微笑與熱情的態(tài)度，在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)界成為說話有份量的人物。盧超群從他在2004年的國(guó)際固態(tài)電路會(huì)議(ISSCC)發(fā)表關(guān)于異質(zhì)整合(HI)的演說之后，就一直致力提倡這個(gè)概念;他在演說中指出：“未來的系統(tǒng)芯片將會(huì)完全利用在單一封裝中的多維整合，內(nèi)含的多芯片包括各種數(shù)字、模擬、內(nèi)存與RF功能及技術(shù)。”

盧超群當(dāng)時(shí)對(duì)3D IC時(shí)代即將來臨的預(yù)測(cè)被認(rèn)為是大膽的想法;在芯片世界大部份還是依循摩爾定律(Moore’s Law)──唯一原則就是晶體管持續(xù)微縮──的那個(gè)時(shí)候，他希望可以證明芯片的垂直整合能實(shí)現(xiàn)的成果。

封裝技術(shù)的進(jìn)展

時(shí)間快速前進(jìn)到2018年，現(xiàn)在可以很公正地說系統(tǒng)級(jí)封裝(SiP)時(shí)代已經(jīng)來臨，至于摩爾定律氣數(shù)已盡的說法則是被夸大了。

現(xiàn)今的芯片封裝技術(shù)與2004年那時(shí)候相較，已經(jīng)有非常顯著的進(jìn)步;臺(tái)積電(TSMC)所開發(fā)的整合扇出式(InFO)晶圓級(jí)封裝技術(shù)，讓Apple得以用非常薄的層迭封裝(package-on-package，PoP)，結(jié)合大量的I/O焊墊以及為iPhone 7的應(yīng)用處理器A10提供更佳的散熱管理。

InFO平臺(tái)的重分布層(re-distributed layer)技術(shù)將硅芯片直接與PCB鏈接，不需要額外的基板;盧超群表示，臺(tái)積電設(shè)計(jì)的直通互連通孔(Through Interconnect Via，TIV)能“利用混合性的垂直與水平互連技術(shù)，提供支柱以鏈接不同的芯片或零組件;”InFO證實(shí)了其短垂直連結(jié)與長(zhǎng)水平之間的鏈路，能加速信息傳輸。

臺(tái)積電的InFO技術(shù)結(jié)構(gòu) (來源：EE Times)

對(duì)于異質(zhì)整合技術(shù)的未來，盧超群充滿希望;他指出，臺(tái)積電以3D晶圓為基礎(chǔ)的系統(tǒng)整合──包括CoWos (chip-on-wafer-on-substrate)與InFO──是非常棒的例子，因?yàn)檎故玖巳绾螌?shí)現(xiàn)另一種等級(jí)的微系統(tǒng)性能與堆棧。

而促使臺(tái)積電實(shí)現(xiàn)InFO技術(shù)突破的，是Apple而非其他傳統(tǒng)芯片業(yè)者;盧超群認(rèn)為，從Apple的A10處理器與Apple Watch 2采用的第二代SiP技術(shù)這些例子可以看出，芯片產(chǎn)業(yè)必須要看得更遠(yuǎn)，必須要努力挖掘那些不只是芯片供應(yīng)商同業(yè)、還有其他產(chǎn)業(yè)所熱烈追求的“智能”解決方案。

盧超群相信，異質(zhì)整合技術(shù)藍(lán)圖(HIR)不但會(huì)成為芯片業(yè)者的動(dòng)力，“其他正在尋找新應(yīng)用的產(chǎn)業(yè)，也能因?yàn)橐訧C為中心的系統(tǒng)解決方案而添加更多價(jià)值。”

把蛋白質(zhì)當(dāng)硬件、DNA當(dāng)軟件

今年2月，盧超群在HIR會(huì)議上發(fā)表的演說激勵(lì)了許多人，因?yàn)樗麑I概念延伸到更長(zhǎng)遠(yuǎn)的未來;他以“細(xì)胞智能”(cell intelligence)為例，說明電子產(chǎn)業(yè)的專長(zhǎng)能如何被利用。

“試想把蛋白質(zhì)當(dāng)作硬件，DNA則是在上面執(zhí)行的軟件;”他指的是所謂的合成生物電路(synthetic biological circuits)，在細(xì)胞內(nèi)的生物性組件被設(shè)計(jì)為執(zhí)行模仿電子電路的邏輯功能。盧超群的公子盧冠達(dá)(Timothy Lu)就專注于細(xì)胞療法研究;他為吹噓自己兒子的成就道歉，但強(qiáng)調(diào)打造全新的基因電路已經(jīng)不只是夢(mèng)想。

盧冠達(dá)是美國(guó)麻省理工學(xué)院(MIT)的生物工程、電子工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)副教授，也創(chuàng)立了一家合成生物學(xué)公司Senti Bio，這家新創(chuàng)公司在今年稍早的A輪募資中籌得5,300萬美元資金。盧冠達(dá)最近接受生物工程專業(yè)媒體Symbiobeta訪問時(shí)表示，他的公司“專注于利用合成生物學(xué)工具來打造下一代的細(xì)胞與基因治療法，具備適應(yīng)、感測(cè)與響應(yīng)能力，而且比現(xiàn)有的細(xì)胞與基因療法具備更廣泛的效應(yīng)。”

他也提及從不同的實(shí)驗(yàn)室導(dǎo)入最先進(jìn)的技術(shù)：“整體來說，那些實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)展現(xiàn)了能以多輸入多輸出(MIMO)類型的系統(tǒng)，來編程復(fù)雜精密的邏輯。”

用于癌癥免疫療法(Cancer Immunotherapy)的合成RNA免疫療法基因電路 (來源：www.cell.com)

其他“無所不在的智能”案例，還包括一種外觀像藥丸，其實(shí)是以異質(zhì)整合技術(shù)制作的小型光學(xué)組件;盧超群表示，當(dāng)病患吞下這種藥丸，它就會(huì)扮演在人體內(nèi)收集數(shù)據(jù)以及提供情報(bào)的微型計(jì)算機(jī)。生活智能是另一個(gè)智能技術(shù)能發(fā)揮的領(lǐng)域，他指出，AI也可以與食材融合，用來監(jiān)測(cè)它們的“健康情況”。

此外還有“微生物群”(Microbiome)，也就是所有生活在人體的微生物;盧超群再次為吹噓自己兒子的研究抱歉，表示現(xiàn)在鎖定人體微生物群的療法正在迅速發(fā)展。盧冠達(dá)在一本題為《打造人類健康應(yīng)用之微生物群》(Engineering the Microbiome for Human Health Applications)的共同著作書籍中就提到，微生物群療法可能構(gòu)建出“臨床相關(guān)的生物傳感器，實(shí)現(xiàn)能在人體中作用的強(qiáng)韌、有效之合成基因電路。”

雖然生物科學(xué)領(lǐng)域聽起來很有趣，我們還是得打斷盧超群，問他：那么半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)在這類“普適智能”(pervasive intelligence)世界中的研發(fā)項(xiàng)目，能提供那些實(shí)質(zhì)性的優(yōu)勢(shì)?

盧超群的回答是：“我們?cè)谶\(yùn)算領(lǐng)域?qū)W到的知識(shí)、專長(zhǎng)與理論至關(guān)重要，而且可以轉(zhuǎn)移到其他領(lǐng)域;”他反問：“硅芯片技術(shù)教了我們什么?”他說，是教了我們?nèi)绾伟褨|西做得更小，而且以更快的速度計(jì)算數(shù)據(jù)。

芯片產(chǎn)業(yè)微縮制成的奧妙，現(xiàn)在可以用以打造人工智能、物聯(lián)網(wǎng)以及生物應(yīng)用的納米級(jí)模塊;盧超群看好產(chǎn)業(yè)界能夠生產(chǎn)應(yīng)用導(dǎo)向的HI納米系統(tǒng)：“我們能藉由優(yōu)化物理學(xué)、材料、組件、電路/芯片、軟件與系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)。”

異質(zhì)整合藍(lán)圖即將揭曉

HIR委員會(huì)準(zhǔn)備在今年7月的SEMICON West發(fā)表現(xiàn)有工作成果，委員會(huì)旗下的22個(gè)技術(shù)工作小組正各自為HIR技術(shù)文件撰寫一個(gè)章節(jié)，以進(jìn)行同儕審查、編輯與定稿，然后在會(huì)議上發(fā)表。HIR委員會(huì)共同主席Bill Bottoms表示，該技術(shù)文件將會(huì)在7月發(fā)表，并在SEMICON West之后不久上網(wǎng)。

擁有22個(gè)章節(jié)的HIR技術(shù)文件，將涵蓋HI的市場(chǎng)應(yīng)用、HI組件、設(shè)計(jì)(包括共同設(shè)計(jì)與仿真軟件、工具與實(shí)作等)，以及像是材料與諸如與SiP、3D+2.5D與WLP (扇入與扇出)等技術(shù)的互連、整合程序等交叉議題。

Bottoms指出，散熱管理與安全性是兩個(gè)后來補(bǔ)充的議題，HIR委員會(huì)的成員認(rèn)為它們很重要，而且相關(guān)發(fā)現(xiàn)能讓所有技術(shù)工作小組獲益。他指出，散熱管理小組是由來自Google的代表所領(lǐng)導(dǎo);而他也再次強(qiáng)調(diào)HIR獲得產(chǎn)業(yè)界領(lǐng)導(dǎo)廠商的大力支持：“很多Intel、Google與IBM的資深人士都是活躍成員。”

除了HIR，產(chǎn)業(yè)界還有兩個(gè)組織在推動(dòng)后ITRS技術(shù)藍(lán)圖，包括IEEE標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)(Standards Association)支持、與重啟運(yùn)算計(jì)劃(Rebooting Computing Initiative)相關(guān)的IRDS (International Technology Roadmap for Devices and Systems);還有ITRW (International Technology Roadmap for Wide Band-Gap Semiconductors)，是IEEE電力電子學(xué)會(huì)(Power Electronics Society)所贊助。

并沒有哪一個(gè)組織說自己比人家厲害，而且Bottoms強(qiáng)調(diào)：“這些藍(lán)圖從三個(gè)各自技術(shù)領(lǐng)域的有利位置看未來，他們能以各自協(xié)調(diào)的復(fù)雜性彼此互補(bǔ)，替電子產(chǎn)業(yè)的未來提供多維觀點(diǎn)。”

從ITRS到HIR (來源：Heterogeneous Integration Roadmap Working Group)

而這一切也衍生了一個(gè)問題：為何電子產(chǎn)業(yè)很愛制定“藍(lán)圖”?大家都被摩爾定律洗腦了嗎?該定律也確實(shí)讓產(chǎn)業(yè)界的每個(gè)人都以相同的曲調(diào)起舞，讓產(chǎn)品與研發(fā)計(jì)劃跟上腳步。Bottoms則認(rèn)為，擁有藍(lán)圖甚至能讓異質(zhì)整合的潛力更充分發(fā)揮。

他在一份與HIR委員會(huì)共同主席、ASE院士William Chen共同撰寫的技術(shù)論文中指出，技術(shù)藍(lán)圖能指導(dǎo)“專家、產(chǎn)業(yè)界、學(xué)術(shù)界與政府有足夠的準(zhǔn)備時(shí)間定義關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)，使得那些挑戰(zhàn)不會(huì)成為電子技術(shù)進(jìn)展過程以及在不同產(chǎn)業(yè)中擴(kuò)展應(yīng)用版圖時(shí)的障礙;”他們的結(jié)論是：“我們的目標(biāo)是激勵(lì)研發(fā)創(chuàng)新與跨生態(tài)系統(tǒng)的合作，以期實(shí)現(xiàn)未來愿景的過程一路順暢”。

編譯：Judith Cheng