芯片的未来，靠这些技术了
2020-10-02
14:00:08
来源: 半导体行业观察
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除了先进制程之外，先进封装也成为延续摩尔定律的关键技术，像是2.5D、3D 和Chiplets 等技术在近年来成为半导体产业的热门议题。究竟，先进封装是如何在延续摩尔定律上扮演关键角色？而2.5D、3D 和Chiplets 等封装技术又有何特点？
人工智能（AI）、车联网、5G 等应用相继兴起，且皆须使用到高速运算、高速传输、低延迟、低耗能的先进功能芯片；然而，随着运算需求呈倍数成长，究竟要如何延续摩尔定律，成为半导体产业的一大挑战。
换言之，半导体先进制程纷纷迈入了7 纳米、5 纳米，接着开始朝3 纳米和2 纳米迈进，电晶体大小也因此不断接近原子的物理体积限制，电子及物理的限制也让先进制程的持续微缩与升级难度越来越高。
也因此，半导体产业除了持续发展先进制程之外，也「山不转路转」地开始找寻其他既能让芯片维持小体积，同时又保有高效能的方式；而芯片的布局设计，遂成为延续摩尔定律的新解方，异构整合（Heterogeneous Integration Design Architecture System，HIDAS）概念便应运而生，同时成为IC 芯片的创新动能。
所谓的异构整合，广义而言，就是将两种不同的芯片，例如记忆体＋逻辑芯片、光电＋电子元件等，透过封装、3D 堆叠等技术整合在一起。换句话说，将两种不同制程、不同性质的芯片整合在一起，都可称为是异构整合。
因为应用市场更加的多元，每项产品的成本、性能和目标族群都不同，因此所需的异构整合技术也不尽相同，市场分众化趋势逐渐浮现。为此，IC 代工、制造及半导体设备业者纷纷投入异构整合发展，2.5D、3D 封装、Chiplets 等现今热门的封装技术，便是基于异构整合的想法，如雨后春笋般浮现。
过往要将芯片整合在一起，大多使用系统单封装（System in a Package，SiP）技术，像是PiP（Package in Package）封装、PoP（Package on Package）封装等。然而，随着智能手机、AIoT 等应用，不仅需要更高的性能，还要保持小体积、低功耗，在这样的情况下，必须想办法将更多的芯片堆积起来使体积再缩小，因此，目前封装技术除了原有的SiP 之外，也纷纷朝向立体封装技术发展。
立体封装概略来说，意即直接使用硅晶圆制作的「硅中介板」（Silicon interposer），而不使用以往塑胶制作的「导线载板」，将数个功能不同的芯片，直接封装成一个具更高效能的芯片。换言之，就是朝着芯片叠高的方式，在硅上面不断叠加硅芯片，改善制程成本及物理限制，让摩尔定律得以继续实现。
而立体封装较为人熟知的是2.5D 与3D 封装，这边先从2.5D 封装谈起。所谓的2.5D 封装，主要的概念是将处理器、记忆体或是其他的芯片，并列排在硅中介板（Silicon Interposer）上，先经由微凸块（Micro Bump）连结，让硅中介板之内金属线可连接不同芯片的电子讯号；接着再透过硅穿孔（TSV）来连结下方的金属凸块（Solder Bump），再经由导线载板连结外部金属球，实现芯片、芯片与封装基板之间更紧密的互连。
2.5D和3D封装是热门的立体封装技术。（Source：ANSYS）
目前为人所熟知的2.5D 封装技术，不外乎是台积电的CoWoS。CoWoS 技术概念，简单来说是先将半导体芯片（像是处理器、记忆体等），一同放在硅中介层上，再透过Chip on Wafer（CoW）的封装制程连接至底层基板上。换言之，也就是先将芯片通过Chip on Wafer（CoW）的封装制程连接至硅晶圆，再把CoW 芯片与基板连接，整合成CoWoS；利用这种封装模式，使得多颗芯片可以封装到一起，透过Si Interposer 互联，达到了封装体积小，功耗低，引脚少的效果。
台积电CoWos封装技术概念。（Source：台积电）
除了CoWos 外，扇出型晶圆级封装也可归为2.5D 封装的一种方式。扇出型晶圆级封装技术的原理，是从半导体裸晶的端点上，拉出需要的电路至重分布层（Redistribution Layer），进而形成封装。因此不需封装载板，不用打线（Wire）、凸块（Bump），能够降低30% 的生产成本，也让芯片更薄。同时也让芯片面积减少许多，也可取代成本较高的直通硅晶穿孔，达到透过封装技术整合不同元件功能的目标。
当然，立体封装技术不只有2.5D，还有3D 封装。那么，两者之间的差别究竟为何，而3D 封装又有半导体业者正在采用？
相较于2.5D 封装，3D 封装的原理是在芯片制作电晶体（CMOS）结构，并且直接使用硅穿孔来连结上下不同芯片的电子讯号，以直接将记忆体或其他芯片垂直堆叠在上面。此项封装最大的技术挑战便是，要在芯片内直接制作硅穿孔困难度极高，不过，由于高效能运算、人工智能等应用兴起，加上TSV 技术愈来愈成熟，可以看到越来越多的CPU、GPU 和记忆体开始采用3D 封装。
3D封装是直接将芯片堆叠起来。（Source：英特尔）
在3D 封装上，英特尔（Intel）和台积电都有各自的技术。英特尔采用的是「Foveros」的3D 封装技术，使用异构堆叠逻辑处理运算，可以把各个逻辑芯片堆栈一起。也就是说，首度把芯片堆叠从传统的被动硅中介层与堆叠记忆体，扩展到高效能逻辑产品，如CPU、绘图与AI 处理器等。以往堆叠仅用于记忆体，现在采用异构堆叠于堆叠以往仅用于记忆体，现在采用异构堆叠，让记忆体及运算芯片能以不同组合堆叠。
另外，英特尔还研发3 项全新技术，分别为Co-EMIB、ODI 和MDIO。Co-EMIB 能连接更高的运算性能和能力，并能够让两个或多个Foveros 元件互连，设计人员还能够以非常高的频宽和非常低的功耗连接模拟器、记忆体和其他模组。ODI 技术则为封装中小芯片之间的全方位互连通讯提供了更大的灵活性。顶部芯片可以像EMIB 技术一样与其他小芯片进行通讯，同时还可以像Foveros 技术一样，通过硅通孔（TSV）与下面的底部裸片进行垂直通讯。
英特尔Foveros技术概念。（Source：英特尔）
同时，该技术还利用大的垂直通孔直接从封装基板向顶部裸片供电，这种大通孔比传统的硅通孔大得多，其电阻更低，因而可提供更稳定的电力传输；并透过堆叠实现更高频宽和更低延迟。此一方法减少基底芯片中所需的硅通孔数量，为主动元件释放了更多的面积，优化裸片尺寸。
而台积电，则是提出「3D 多芯片与系统整合芯片」（SoIC）的整合方案。此项系统整合芯片解决方案将不同尺寸、制程技术，以及材料的已知良好裸晶直接堆叠在一起。
台积电提到，相较于传统使用微凸块的3D 积体电路解决方案，此一系统整合芯片的凸块密度与速度高出数倍，同时大幅减少功耗。此外，系统整合芯片是前段制程整合解决方案，在封装之前连结两个或更多的裸晶；因此，系统整合芯片组能够利用该公司的InFO 或CoWoS 的后端先进封装技术来进一步整合其他芯片，打造一个强大的「3D×3D」系统级解决方案。
此外，台积电亦推出3DFabric，将快速成长的3DIC 系统整合解决方案统合起来，提供更好的灵活性，透过稳固的芯片互连打造出强大的系统。藉由不同的选项进行前段芯片堆叠与后段封装，3DFabric 协助客户将多个逻辑芯片连结在一起，甚至串联高频宽记忆体（HBM）或异构小芯片，例如类比、输入/输出，以及射频模组。3DFabric 能够结合后段3D 与前段3D 技术的解决方案，并能与电晶体微缩互补，持续提升系统效能与功能性，缩小尺寸外观，并且加快产品上市时程。
在介绍完2.5D 和3D 之后，近来还有Chiplets 也是半导体产业热门的先进封装技术之一；最后，就来简单说明Chiplets 的特性和优势。
除了2.5D 和3D 封装之外，Chiplets 也是备受关注的技术之一。由于电子终端产品朝向高整合趋势发展，对于高效能芯片需求持续增加，但随着摩尔定律逐渐趋缓，在持续提升产品性能过程中，如果为了整合新功能芯片模组而增大芯片面积，将会面临成本提高和低良率问题。因此，Chiplets 成为半导体产业因摩尔定律面临瓶颈所衍生的技术替代方案。
Chiplets 的概念最早源于1970 年代诞生的多芯片模组，其原理大致而言，即是由多个同质、异构等较小的芯片组成大芯片，也就是从原来设计在同一个SoC 中的芯片，被分拆成许多不同的小芯片分开制造再加以封装或组装，故称此分拆之芯片为小芯片Chiplets。
由于先进制程成本急速上升，不同于SoC 设计方式，将大尺寸的多核心的设计，分散到较小的小芯片，更能满足现今的高效能运算处理器需求；而弹性的设计方式不仅提升灵活性，也能有更好的良率及节省成本优势，并减少芯片设计时程，加速芯片Time to market 时间。
使用Chiplets 有三大好处。因为先进制程成本非常高昂，特别是模拟电路、I/O 等愈来愈难以随着制程技术缩小，而Chiplets 是将电路分割成独立的小芯片，并各自强化功能、制程技术及尺寸，最后整合在一起，以克服制程难以微缩的挑战。此外，基于Chiplets 还可以使用现有的成熟芯片降低开发和验证成本。
目前已有许多半导体业者采用Chiplets 方式推出高效能产品。像是英特尔的Intel Stratix 10 GX 10M FPGA 便是采用Chiplets 设计，以达到更高的元件密度和容量。该产品是以现有的Intel Stratix 10 FPGA 架构及英特尔先进的嵌入式多芯片互连桥接（EMIB）技术为基础，运用了EMIB 技术融合两个高密度Intel Stratix 10 GX FPGA 核心逻辑芯片以及相应的I /O 单元。至于AMD 第二代EPYC 系列处理器也是如此。有别于第一代将Memory 与I/O 结合成14 纳米CPU 的Chiplet 方式，第二代是把I/O 与Memory 独立成一个芯片，并将7 纳米CPU 切成8 个Chiplets 进行组合。
总而言之，过去的芯片效能都仰赖半导体制程的改进而提升，但随着元件尺寸越来越接近物理极限，芯片微缩难度越来越高，要保持小体积、高效能的芯片设计，半导体产业不仅持续发展先进制程，同时也朝芯片架构着手改进，让芯片从原先的单层，转向多层堆叠。也因如此，先进封装也成为改善摩尔定律的关键推手之一，在半导体产业中引领风骚。
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