芯片产业前进“异质整合”新时代

2018-05-29 14:00:27 来源: 老杳吧

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在25年的时间内，当Facebook、Google与Amazon透过自己设计芯片称霸全球市场之后，半导体产业的面貌会有什么变化？在某种程度上，我们已经看到未来、而且它已经发生：大数据分析、人工智能(AI)、扩增/虚拟实境(AR/VR)、自动驾驶车辆等新技术已经问世──虽然未臻完美之境。

尽管如此，大多数芯片设计工程师甚至无法想像那样一个大无畏的新世界，更别说那些他们必须保持在流行前线的创新发明；但让工程师们头痛的一个问题是，产业发展的方向全然不确定。随着摩尔定律(Moore’s Law)接近“经济上的死角”，对大多数芯片供应商(除非是Intel或Samsung等大厂)来说，该转往其他哪个方向？

2016年7月，半导体产业协会(SIA)发表最后一期的国际半导体技术蓝图(ITRS)报告(参考连结)，这意味着产业界已经承认摩尔定律不只是速度趋缓，而是产业界需要新的工具、统计图表与程序，来定义技术研发之间的差距所在，以及在这个连结性更强的世界该何去何从。这也是台湾IC设计公司钰创(Etron)创办人、董事长暨执行长卢超群(Nicky Lu)要出力的地方。

钰创(Etron)创办人、董事长暨执行长卢超群(Nicky Lu)

（来源：EE Times）

卢超群一直在提倡“异质整合”(heterogeneous integration，HI)，他推广这个概念是因为半导体产业至少必须要脱离对制程节点微缩的痴迷；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。

不过卢超群所提倡的HI并非异质整合SoC、系统级封装(SiP)或多芯片模组(MCM)，而是一种“整体化(holistically)的整合性解决方案”，牵涉系统设计、演算法与软体，结合不同的矽元件如SoC、DRAM、快闪存储器、ADC/DAC、电源管理、安全芯片，以及可靠性控制元件。

到目前为止，芯片产业在SiP技术领域已经有大幅度的进展；卢超群表示：“在2018年的现在，我已经看到市场对于更复杂HI的需求，实际上不只整合矽芯片，还包括非矽材料。”

HI背后的三个IEEE学会

电子测试业者3MTS (Third Millennium Test Solutions)董事长Bill Bottoms表示，订定“异质整合蓝图(Heterogeneous Integration Roadmap，HIR)的基础工作在2015年展开，当时SIA与一个IEEE学会签署了合作备忘录，由Bottooms以及日月光(ASE)的院士William Chen担任HIR委员会的共同主席。

2016年，HIR获得三个IEEE学会的正式赞助，包括电子封装学会(Electronics Packaging Society，EPS)、电子元件学会(Electronic Devices Society，EDS)以及光子学会(Photonics Society)；国际半导体产业协会(SEMI)以及美国机械工程师学会(American Society of Mechanical Engineers，ASME)的电子与光子封装分会(Electronic and Photonic Packaging Division，EPPD)也加入了HIR订定工作。

从去年开始一切步入正轨。随着HIR委员会在世界各地举办研讨会宣传其使命，“总共有接近1,000位科学家、研究人员与资深工程师出席我们的活动并承诺参与HIR；”Bottoms表示，在委员会成员方面，“我们致力于将标准品质维持非常高的水准，我们只选择那些拥有技术证照，并且真正愿意为每个技术工作小组贡献力量的人。”

Bottoms解释，一般只是想吸收资讯的市场旁观者不会被委员会接纳；他所定义的HIR委员会任务范围是：“定义我们需要克服的困难挑战，以因应未来15年、25年新兴研究领域之技术需求。”他指出，该组织正在开发一个“竞争前期”(pre-competitive)蓝图，而集中产业界资源去规划未来，会比多头马车各自努力更有效率。

HIR委员会将具潜力的首要整合技术解决方案视为“复杂的SiP结构”。Bottoms表示，在很多方面，产业界开始关注将矽元件与非矽材料整合在单一封装中的产品；“一个很好的HI案例是Intel的光子光学收发器(photonics optical transceivers)，”他解释，Intel以矽晶圆平面制造技术支援电-光收发器的量产。

另一个案例是Apple Watch 2采用之第二代SiP技术“S2”；与第一代技术S1一样，该SiP模组在一个模组中混合了不同封装形式，包含能以裸晶堆叠的零组件(例如CSP、WLP等封装)、传统的打线封装，甚至是层叠封装(package-on-package)等多芯片的配置，或是多芯片堆叠的DRAM、NAND快闪存储器。

Bottoms表示：“Apple到目前为止已经将SiP概念推向未来──这是一条前人未走过的路。”如拆解分析机构TechInsights的Apple Watch 2拆解报告写道：“S2封装内含超过42颗芯片！在这种小型封装中有非常多芯片。”对于S2内部的98个互连，Bottoms表示惊叹。

对卢超群来说，没有其他事情比看到HI幕后势力渐长更让他开心；他接受EE Times访问时表示，异质整合不再只是他自己一头热，而是已经广布于电子产品。

在今年稍早，卢超群于一场在美国矽谷举行的IEEE会议上发表题为“透过异质整合技术实现的AI与Silicon 4.0时代协同成长”(Synergistic Growth of AI and Silicon Age 4.0 through Heterogeneous Integration of Technologies)的演说；他表示：“有很多人在听了我的演讲后来找我，他们都非常兴奋。”

为何那些人如此兴奋？卢超群的演说并非关于异质整合技术细节，而是将焦点集中在扩大半导体产业的研发范围。现在芯片产业已经不再押注制程的持续微缩，他认为产业界可以将知识应用于更大的任务，而下一步是在跨不同领域的产业实现“普适智能”(pervasive intelligence)，从AI、人类、自然界到生物、细胞、细菌以及医疗智能。

卢超群解释，探讨下一代AI芯片的最佳化设计是一回事，人人都在做；但如果产业界需要能延伸至未来25年的“技术蓝图”，最好要开始着墨普适智能。在进一步了解卢超群所定义的普适智能之前，得先了解他对异质整合的兴趣是如何演变而来…

钰创(Etron)创办人、董事长暨执行长卢超群(Nicky Lu)在台湾出生、受教育，后来赴美深造取得史丹佛大学(Stanford University)的电子工程硕士与博士学位；IBM Research是他职业生涯的起点，最为人所知的是他参与发明了3D-DRAM技术，以及开发了高速CMOS DRAM (HSDRAM)。

数十年来，这位技术高手用他具感染力的微笑与热情的态度，在半导体产业界成为说话有份量的人物。卢超群从他在2004年的国际固态电路会议(ISSCC)发表关于异质整合(HI)的演说之后，就一直致力提倡这个概念；他在演说中指出：“未来的系统芯片将会完全利用在单一封装中的多维整合，内含的多芯片包括各种数位、类比、存储器与RF功能及技术。”

卢超群当时对3D IC时代即将来临的预测被认为是大胆的想法；在芯片世界大部份还是依循摩尔定律(Moore’s Law)──唯一原则就是电晶体持续微缩──的那个时候，他希望可以证明芯片的垂直整合能实现的成果。

封装技术的进展

时间快速前进到2018年，现在可以很公正地说系统级封装(SiP)时代已经来临，至于摩尔定律气数已尽的说法则是被夸大了。

现今的芯片封装技术与2004年那时候相较，已经有非常显著的进步；台积电(TSMC)所开发的整合扇出式(InFO)晶圆级封装技术，让Apple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iPhone 7的应用处理器A10提供更佳的散热管理。

InFO平台的重分布层(re-distributed layer)技术将矽芯片直接与PCB连结，不需要额外的基板；卢超群表示，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。

台积电的InFO技术结构

（来源：EE Times）

对于异质整合技术的未来，卢超群充满希望；他指出，台积电以3D晶圆为基础的系统整合──包括CoWos (chip-on-wafer-on-substrate)与InFO──是非常棒的例子，因为展示了如何实现另一种等级的微系统性能与堆叠。

而促使台积电实现InFO技术突破的，是Apple而非其他传统芯片业者；卢超群认为，从Apple的A10处理器与Apple Watch 2采用的第二代SiP技术这些例子可以看出，芯片产业必须要看得更远，必须要努力挖掘那些不只是芯片供应商同业、还有其他产业所热烈追求的“智能”解决方案。

卢超群相信，异质整合技术蓝图(HIR)不但会成为芯片业者的动力，“其他正在寻找新应用的产业，也能因为以IC为中心的系统解决方案而添加更多价值。”

把蛋白质当硬件、DNA当软件

今年2月，卢超群在HIR会议上发表的演说激励了许多人，因为他将HI概念延伸到更长远的未来；他以“细胞智能”(cell intelligence)为例，说明电子产业的专长能如何被利用。

“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。卢超群的公子卢冠达(Timothy Lu)就专注于细胞疗法研究；他为吹嘘自己儿子的成就道歉，但强调打造全新的基因电路已经不只是梦想。

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。卢冠达最近接受生物工程专业媒体Symbiobeta访问时表示，他的公司“专注于利用合成生物学工具来打造下一代的细胞与基因治疗法，具备适应、感测与回应能力，而且比现有的细胞与基因疗法具备更广泛的效应。”

他也提及从不同的实验室导入最先进的技术：“整体来说，那些实验室已经展现了能以多输入多输出(MIMO)类型的系统，来编程复杂精密的逻辑。”

用于癌症免疫疗法(Cancer Immunotherapy)的合成RNA免疫疗法基因电路

（来源：www.cell.com）

其他“无所不在的智能”案例，还包括一种外观像药丸，其实是以异质整合技术制作的小型光学元件；卢超群表示，当病患吞下这种药丸，它就会扮演在人体内收集资料以及提供情报的微型电脑。生活智能是另一个智能技术能发挥的领域，他指出，AI也可以与食材融合，用来监测它们的“健康情况”。

此外还有“微生物群”(Microbiome)，也就是所有生活在人体的微生物；卢超群再次为吹嘘自己儿子的研究抱歉，表示现在锁定人体微生物群的疗法正在迅速发展。卢冠达在一本题为《打造人类健康应用之微生物群》(Engineering the Microbiome for Human Health Applications)的共同著作书籍中就提到，微生物群疗法可能构建出“临床相关的生物感测器，实现能在人体中作用的强韧、有效之合成基因电路。”

虽然生物科学领域听起来很有趣，我们还是得打断卢超群，问他：那么半导体产业在这类“普适智能”(pervasive intelligence)世界中的研发专案，能提供那些实质性的优势？

卢超群的回答是：“我们在运算领域学到的知识、专长与理论至关重要，而且可以转移到其他领域；他反问：“矽芯片技术教了我们什么？”他说，是教了我们如何把东西做得更小，而且以更快的速度计算资料。

芯片产业微缩制成的奥妙，现在可以用以打造人工智能、物联网以及生物应用的纳米级模组；卢超群看好产业界能够生产应用导向的HI纳米系统：“我们能借由最佳化物理学、材料、元件、电路/芯片、软体与系统来实现这个目标。”

异质整合蓝图即将揭晓

HIR委员会准备在今年7月的SEMICON West发表现有工作成果，委员会旗下的22个技术工作小组正各自为HIR技术文件撰写一个章节，以进行同侪审查、编辑与定稿，然后在会议上发表。HIR委员会共同主席Bill Bottoms表示，该技术文件将会在7月发表，并在SEMICON West之后不久上网。

拥有22个章节的HIR技术文件，将涵盖HI的市场应用、HI元件、设计(包括共同设计与模拟软体、工具与实作等)，以及像是材料与诸如与SiP、3D+2.5D与WLP (扇入与扇出)等技术的互连、整合程序等交叉议题。

Bottoms指出，散热管理与安全性是两个后来补充的议题，HIR委员会的成员认为它们很重要，而且相关发现能让所有技术工作小组获益。他指出，散热管理小组是由来自Google的代表所领导；而他也再次强调HIR获得产业界领导厂商的大力支持：“很多Intel、Google与IBM的资深人士都是活跃成员。”

除了HIR，产业界还有两个组织在推动后ITRS技术蓝图，包括IEEE标准协会(Standards Association)支持、与重启运算计划(Rebooting Computing Initiative)相关的IRDS (International Technology Roadmap for Devices and Systems)；还有ITRW (International Technology Roadmap for Wide Band-Gap Semiconductors)，是IEEE电力电子学会(Power Electronics Society)所赞助。

并没有哪一个组织说自己比人家厉害，而且Bottoms强调：“这些蓝图从三个各自技术领域的有利位置看未来，他们能以各自协调的复杂性彼此互补，替电子产业的未来提供多维观点。”

从ITRS到HIR

（来源：Heterogeneous Integration Roadmap Working Group）

而这一切也衍生了一个问题：为何电子产业很爱制定“蓝图”？大家都被摩尔定律洗脑了吗？该定律也确实让产业界的每个人都以相同的曲调起舞，让产品与研发计划跟上脚步。Bottoms则认为，拥有蓝图甚至能让异质整合的潜力更充分发挥。

他在一份与HIR委员会共同主席、ASE院士William Chen共同撰写的技术论文中指出，技术蓝图能指导“专家、产业界、学术界与政府有足够的准备时间定义关键技术挑战，使得那些挑战不会成为电子技术进展过程以及在不同产业中扩展应用版图时的障碍；”他们的结论是：“我们的目标是激励研发创新与跨生态系统的合作，以期实现未来愿景的过程一路顺畅”

编译：Judith Cheng

(参考原文： Chip Industry Maps Heterogeneous Integration，by Junko Yoshida)

责任编辑：星野

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