卢超群：异构集成将推动半导体产业再战下一个30年！

卢博士不但用几个不同硅时代的概念让大家深入浅出地了解了异构集成，还用各种生动的例子，让大家看到半导体技术能切实为人类生活和健康带来的改变……


11月8日，全球最大的技术信息集团ASPENCORE在中国深圳举办全球CEO峰会。来自世界各地的行业领袖和技术大咖云集深圳，探讨人工智能的冲击与契机、物联网路线图、联网标准之争等热门话题，并前瞻改变世界的未来技术。

钰创科技（Etron Tech）首席执行官、董事长暨创始人、台湾半导体产业协会理事长卢超群博士（Nicky Lu）在会上发表了《新兴指数型经济成长：AI加成集成电路之新异构集成系统爆发威力》的演讲。


卢超群博士为全球IC设计及半导体产业贡献超过30年，1991年他获选为国际电机电子学会荣誉会员（IEEE Fellow），1998年凭借在高速动态记忆体设计的领先贡献获颁IEEE固态电路奖（IEEE Solid-State Circuits Award)，后于1999年当选美国国家工程学院院士。

硅1.0时代：由摩尔定律开创

卢博士认为，20世纪的硅科技革命奠定了21世纪的基础，也正在引爆科技多元化的应用革命。比如人们常谈的云计算、大数据、机器学习和人工智能，也包括与人类健康息息相关的创新基因工程。

半导体和基因工程的结合，对抗癌症。

卢博士表示，10年前人工智能并没有产生，而今天的出现是因为人类有了这样的需求，在AI一切的多元应用中，半导体正扮演智能核心的角色。但很多预测显示，关乎半导体动能的摩尔定律可能会在2025年终止。


半导体的第一个时代是硅1.0，摩尔先生曾说，每两年在单位节点面积内增加1倍晶体管数量，每一节点现款微缩0.7倍，30微米至28纳米工20节点，这就是十几年来促进IC产业放量积极成长的功臣：指数摩尔定律。


硅2.0时代：面积微缩法或将终止于5纳米？

然而硅1.0时代终止于28纳米节点，然而从28纳米节点以下，到今日半导体技术走到7纳米世代，这段时间被称为硅2.0世代。卢博士认为，在硅世代2.0要促成有效摩尔定律(Effective Moore’s Law Economy, EME)以维持经济投资效益，主要依靠面积微缩法则（Area Scaling）。

英特尔率先在22纳米上，把晶体管的排列由平放变成鳍型排列，并把控制晶体管流量的栅栏变大，也就是鳍式场效晶体管（FinFET）或是三闸极（Tri-Gate）晶体管。在FinFET工艺架构下，线宽微缩不用再做到0.7x，只要0.8x并达到面积缩小0.64即可达到同样效果；在0.64和0.5之间减少微缩的面积，因为晶体管竖起来后，可以得到更有效地利用，以及竖立式所产生的3度空间来弥补，这样的做法也可以让一个单元面积上容纳2个晶体管。


面积微缩明年将把半导体工艺带入5纳米。

硅3.0时代：台积电“独吃”苹果的秘诀

而在硅3.0时代主要依赖体积微缩法则（Volumetric Scaling），是利用底部的面积加上封装技术拉出一个3D空间，再回算成单位面积。通过这种做法，摩尔定律的精神再度被延续。

卢博士举了个例子，当年钰创和英特尔合作，做出了第一个堆叠芯片（如下图），“就像我们到百货公司坐的电扶梯，不需要等，大家都可以同时传送，而另一堆叠像是电梯，必须等在外面，等人出来才能进去。所以按照这样异构整合概念，钰创是想让大家买到不要封装的内存，品质保证10年不坏。”


在一个非常小的封装中，做多层的堆叠，目前市场需求很大的3D NAND就是运用此技术。


台积电(TSMC)为什么能够独吃苹果芯片代工订单？秘诀就在他们的整合扇出式(InFO, Intergrated Fan-Out）封装技术。下图右边是台积电用异质封装整合出来的，左边是大家现在做的，体积上的差距一目了然。


台积电所开发的InFO晶圆级封装技术，让得以用非常薄的层叠封装(package-on-package，PoP)，结合大量的I/O焊垫以及为新一代iPhone 的应用处理器提供更佳的散热管理。

InFO平台的重分布层(re-distributed layer)技术将硅芯片直接与PCB连结，不需要额外的基板；卢超群博士表示，台积电设计的直通互连通孔(Through Interconnect Via，TIV)能“利用混合性的垂直与水平互连技术，提供支柱以连结不同的芯片或零组件；”InFO证实了其短垂直连结与长水平之间的链路，能加速资讯传输。

卢博士深入浅出地举了一个例子：“这就好比盖房子，一栋4层楼高的公寓，公寓中间的位置有个方形回廊，4边都有楼梯爬上爬下，回廊中心就是交换情报的地方。在这样的设计架构下，做了3D堆叠，只不过只有堆4层，晶粒的面积会大一点，但换来扁一点的体积，这就是台积电的InFO封装技术架构的奥妙。”

为什么台积电的InFO设计，可以成功落实异质整合技术并延长摩尔定律的寿命？就像是在城区内有地铁网络将各个节点互相连结，而城乡间通过高速公路彼此沟通。这样，通过横纵两个维度的交通网络，城乡的沟通变得畅行无阻。苹果和台积电的完美表现，完成了”Silicon Age 3.0“的任务，同时也为我们正在经历的“Silicon4.0”时代暖场。

硅4.0时代：异构整合为摩尔定律续命

来到硅4.0时代，卢博士认为异构集成设计系统架构（HIDAS, Heterogeneous Integration Design Architecture System）将大量促进IC创新。比如系统级芯片将采用新的架构，使用多度空间布局各类晶粒，他推广这个概念是因为半导体产业至少必须要脱离对工艺节点微缩的痴迷；为了取得成长动力，产业界必须以“不同技术的异质整合”来创新。


硅4.0时代的特征是把不是半导体但是用硅制成的Nano System产品，借由技术把周边MEMS、镜头、感测器、生物感测器等都整合进来，不再用线性微缩去创造价值，而是让终端产品的价值放大，是一种“功能X价值的微缩”概念。

“异构集成已成为21世纪系统级芯片的主流技术，未来30年就是硅4.0的时代，而钰创科技作为3D芯片技术的领头贡献者，已在2000年生产和销售内存无封装晶粒（KGDM），迄今达1.8亿颗。”卢博士说到。


IEEE在今年2月也推出了异构整合的路线图（IEEE Heterogenous Integration Roadmap Symposium），卢博士表示，这将再延续类似摩尔定律的每两年增加的经济效应，全世界都在推动。



一个个鲜活的例子

卢博士举了很多个钰创产品在IoT、VR/AR和自动驾驶中的应用，其中这个在外科手术中的例子让小编印象深刻。医生用无接触操控技术进行肝脏肿瘤切除手术。如果在以前没有AI视觉的情况下，手术完成后这个病人可能只剩十分之一的肝脏，而采用了这款3D影像方案动手术，病人能保存90%的肝脏。


由于外科医生在手术中要戴手套和口罩，无法交流，所以手势是最佳人机接口。由于内脏一直在蠕动，所以在给人体内脏开刀过程中，相当于每分钟都要做GPS定位。（图：钰创）

又是一个跟医学相关的例子，由卢超群博士的儿子——美国麻省理工大学（MIT）生物工程、电子工程与电脑科学副教授卢冠达(Timothy Lu)提供。卢冠达是美国麻省理工学院(MIT)的生物工程、电子工程与电脑科学副教授，也创立了一家合成生物学公司Senti Bio，这家新创公司在今年稍早的A轮募资中筹得5,300万美元资金。

一颗能监测体内病变情况的芯片药丸，首先在与人类基因最为相似的猪身上采用。下图猪肚中暗红色的位置就是胃溃疡的出血点。卢超群表示，未来当病人吞下这种药丸，它就会扮演在人体内收集资料以及提供情报的微型电脑。


“试想把蛋白质当作硬体，DNA则是在上面执行的软体；”他指的是所谓的合成生物电路(synthetic biological circuits)，在细胞内的生物性元件被设计为执行模仿电子电路的逻辑功能。这也是卢冠达正专注研究的细胞疗法。

（图：www.cell.com）

总结：半导体未来30年更美好
最后卢博士晒出了一张图，可以看出我们过去花了60年，终于在2017年让IC产业1.0产值来到4200亿美元（黄色部分）。而图中绿色代表整合、系统、软件、电路和芯片的2.0和3.0时代，以及蓝色代表的异构集成（硅+非硅）4.0时代，令半导体产业的未来30年前景更加看好，加起来产值将超过一万亿美元。


“硅4.0世代就是要充分利用异质整合技术，结合半导体和应用系统终端技术，从而实现全球半导体产业的产值达到1万亿美元的目标——让摩尔定律不死，工艺技术走到1纳米的更高目标。”卢博士表示。