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人工智能與5G將成為推動(dòng)半導(dǎo)體未來(lái)十年成長(zhǎng)的重要?jiǎng)幽埽谇岸沃瞥涛⒖s越來(lái)越困難,以及某些功能,先天就不宜使用太細(xì)微的電路實(shí)現(xiàn)的情況下,將一顆SoC設(shè)計(jì)切割成不同小芯片(Chiplet),再用先進(jìn)封裝技術(shù)提供的高密度互聯(lián)將多顆Chiplet包在同一個(gè)封裝體內(nèi),將是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。


在AI浪潮席卷下,為了提供更高的運(yùn)算效能,處理器核心數(shù)量,以及其所搭配的快取記憶體容量、I/O數(shù)量都呈現(xiàn)指數(shù)型暴增。這些情況使得IC設(shè)計(jì)者即便使用最先進(jìn)制程,也很難把芯片尺寸變得更小。


不僅如此,如果按照傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法,芯片面積還越來(lái)越大,在某些極端狀況下,甚至還出現(xiàn)一片12吋晶圓只能生產(chǎn)十多顆,甚至不到十顆芯片的情況。如果再把良率因素考慮進(jìn)去,采用這種設(shè)計(jì)方法制造出來(lái)的芯片,單顆成本恐將突破新臺(tái)幣100萬(wàn)元。這顯然不是芯片設(shè)計(jì)者跟客戶能夠接受的。


另一方面,5G對(duì)高頻寬、低延遲與大量連線的要求,使得通訊芯片必須要有更高的整合度,才能夠滿足5G提出的效能標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)再加上絕大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)裝置都有嚴(yán)格的成本、功耗與外觀尺寸限制,通訊芯片業(yè)者如果不想辦法利用先進(jìn)封裝技術(shù),把更多通訊元件、甚至天線整合在單一封裝內(nèi),形成完整的微型通訊模組,將難以滿足應(yīng)用市場(chǎng)需求。


同構(gòu)/異構(gòu)整合攜手共同因應(yīng)AI與5G挑戰(zhàn)


AI跟5G正好代表兩種看似截然不同,但其實(shí)殊途同歸的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向--同構(gòu)整合(Homogeneous Integration)與異構(gòu)整合(Heterogeneous Integration)。而且在許多情況下,這兩種整合其實(shí)是同時(shí)并存的。


針對(duì)同構(gòu)整合,臺(tái)積電研發(fā)副總經(jīng)理余振華表示,不管是依循摩爾定律(Moore's Law)的道路進(jìn)行制程微縮,抑或是采用先進(jìn)封裝技術(shù),把不同芯片整合在同一個(gè)封裝體內(nèi),客戶追求的目標(biāo)永遠(yuǎn)都一樣--用更低的成本來(lái)實(shí)現(xiàn)電路功能。因此,除了制程微縮之外,如果有其他技術(shù)選項(xiàng)可以達(dá)成這個(gè)目標(biāo),客戶當(dāng)然會(huì)樂(lè)于采用。而同構(gòu)整合跟異構(gòu)整合之所以興起,就是因?yàn)檫@兩種先進(jìn)封裝技術(shù),能夠有效降低成本。


同構(gòu)整合通常應(yīng)用在處理器或邏輯芯片上,這類芯片為了提供更高的效能,滿足AI運(yùn)算需求,不僅核心數(shù)量越來(lái)越多,核心旁邊配置的快取記憶體容量也跟著變大,I /O的需求也跟著暴增。如果繼續(xù)采用傳統(tǒng)SoC的設(shè)計(jì)思維,不把這類大型芯片切割成多顆小芯片,再用先進(jìn)封裝技術(shù)整合起來(lái),其生產(chǎn)良率會(huì)受到極大影響。


另一方面,把SoC按照功能進(jìn)行切割,也有助于實(shí)現(xiàn)IP重復(fù)利用,并且讓設(shè)計(jì)最佳化。一顆SoC里面,其實(shí)有很多電路不適合用最先進(jìn)的制程技術(shù)生產(chǎn),例如記憶體、I/O跟其他與類比/混合訊號(hào)有關(guān)的功能電路。與其將所有功能都整合在一顆芯片上,把這些電路功能切割開來(lái),用性價(jià)比更高的制程來(lái)生產(chǎn),反而更具經(jīng)濟(jì)效益。這個(gè)觀念就是所謂的異構(gòu)整合。


同構(gòu)整合搭配異構(gòu)整合的案例很多,臺(tái)積電也已經(jīng)有許多客戶成功開發(fā)出這種采用混和架構(gòu)的產(chǎn)品,例如賽靈思(Xilinx)的高階FPGA,一方面使用同構(gòu)整合,把一顆大型芯片切割成多顆小芯片,再利用CoWoS整合;另一方面,該公司的FPGA旁,還有多顆HBM記憶體,同樣利用CoWoS進(jìn)行整合,以獲得更大的記憶體頻寬。


不過(guò),由于CoWoS的成本高昂,在很多情況下已超過(guò)客戶可接受的門檻,因此成本相對(duì)低廉,但效能較低的InFO,獲得更廣大的客戶群青睞。


此外,InFO的結(jié)構(gòu)還在持續(xù)進(jìn)化,且目前臺(tái)積電InFO的線寬/間距(L/S)已經(jīng)可以做到2/2微米;在實(shí)驗(yàn)室里面,甚至已發(fā)展出1/1微米以下的技術(shù),且層數(shù)還在持續(xù)往上疊加,因此InFO家族的性能正在逐漸逼近CoWoS,也開始有網(wǎng)通晶片廠開始使用InFO。


至于在CoWoS方面,由于硅中介層(Si-interposer)的成本偏高,因此臺(tái)積電3DIC處長(zhǎng)鄭心圃透露,該公司內(nèi)部也在發(fā)展以有機(jī)材料取代硅中介層的CoWoS,盼借此提供客戶更多選擇。


除了成本考量外,從技術(shù)角度來(lái)看,IC設(shè)計(jì)者未來(lái)在開發(fā)新芯片時(shí),也必然要導(dǎo)入同構(gòu)和異構(gòu)整合。聯(lián)發(fā)科副處長(zhǎng)邱寶成就指出,雖然先進(jìn)制程可以做出更小的電晶體,但功率密度并未跟著電晶體縮小而下降。


以聯(lián)發(fā)科目前功率密度最高的芯片為例,其功率密度可達(dá)380W/平方公分。用電熨斗做為比較生活化的比較基準(zhǔn),大家都知道電熨斗很燙,但其實(shí)電熨斗的功率密度只有10W/平方公分,由此可見功率密度對(duì)芯片設(shè)計(jì)者帶來(lái)的挑戰(zhàn)是多么艱巨。


把芯片設(shè)計(jì)適當(dāng)分割開來(lái),不只可帶來(lái)良率提高,成本下降的經(jīng)濟(jì)效益,對(duì)于降低功率密度也有幫助。不過(guò),由于AI、5G應(yīng)用對(duì)晶片效能跟I/O數(shù)量的需求很大,IC設(shè)計(jì)者不希望在這方面有所妥協(xié),因此聯(lián)發(fā)科非常樂(lè)見各種更先進(jìn)的互連封裝技術(shù)出現(xiàn),讓芯片設(shè)計(jì)者可以有更多選擇空間。


L/S迅速微縮封裝難度/可靠度挑戰(zhàn)大增


其實(shí),把時(shí)間往回推一年,在2018年的系統(tǒng)級(jí)封測(cè)高峰論壇上,除了CoWoS之外,業(yè)界能提供的扇出(FO)封裝技術(shù),L/S大多還只能做到10/ 10微米,但一年之后,2/2微米已經(jīng)成為新的標(biāo)準(zhǔn),而且RDL的層數(shù)已經(jīng)迅速推進(jìn)到4P5M(四層有機(jī)聚合物,五層金屬層)。由此可見芯片客戶跟半導(dǎo)體制造業(yè)者對(duì)先進(jìn)封裝技術(shù)的強(qiáng)烈需求。


然而,更細(xì)的互連線路、更多層數(shù)的立體堆疊,不僅需要新的材料跟制程設(shè)備,也使得封裝的生產(chǎn)良率、可靠度面臨更嚴(yán)苛的挑戰(zhàn)。有鑒于此,材料、設(shè)備商紛紛推出新一代材料或制程設(shè)備機(jī)臺(tái),如Atotech、Brewer Science、EV Group、K&S、Lam Research、SPTS、Smoltek、SüSS MicroTec、千住金屬(SMIC)等。這些廠商提供的解決方案,讓臺(tái)積電、日月光、力成跟艾克爾(Amkor)等前后段業(yè)者得以將先進(jìn)封裝推向量產(chǎn)。


而在確保生產(chǎn)良率跟封裝可靠度方面,檢測(cè)(Inspection)與計(jì)量(Metrology)廠商如Camtek、Cyberoptics等,也針對(duì)各種先進(jìn)封裝推出新的解決方案。事實(shí)上,由于先進(jìn)封裝興起的緣故,檢測(cè)與計(jì)量在封裝領(lǐng)域所扮演的角色,將比過(guò)去更為關(guān)鍵。


由于先進(jìn)封裝涉及多芯片整合,如果半導(dǎo)體制造商沒(méi)有在封裝前先對(duì)個(gè)別芯片進(jìn)行完整檢測(cè),鎖定Known Good Die(KGD),再進(jìn)行Die to Wafer(D2W)或Chip to Wafer(C2W)整合,將會(huì)把Bad Die跟其他Good Die封在一起,最后得到無(wú)法正常運(yùn)作的元件,并蒙受巨大的經(jīng)濟(jì)跟良率損失。由此可知,檢測(cè)與計(jì)量在后段制程的重要性將越來(lái)越高,而這也會(huì)使封裝廠的產(chǎn)線設(shè)計(jì)跟運(yùn)作流程變得越來(lái)越像前段廠。


從SoC走向Chiplet EDA工具支援至關(guān)重要


除了材料跟設(shè)備機(jī)臺(tái)外,由于先進(jìn)封裝變得越來(lái)越復(fù)雜,因此封裝設(shè)計(jì)者很難再用現(xiàn)有的設(shè)計(jì)工具來(lái)完成先進(jìn)封裝設(shè)計(jì)。明導(dǎo)(Mentor)亞太區(qū)技術(shù)總監(jiān)李立基就指出,在一個(gè)封裝只有幾百個(gè)I/O的時(shí)代,封裝設(shè)計(jì)者還有可能用試算表(Spreadsheet)來(lái)規(guī)劃I/O,但在動(dòng)輒數(shù)千甚至上萬(wàn)個(gè)I/O互連的先進(jìn)封裝設(shè)計(jì)中,這種方法不僅太耗時(shí),而且出錯(cuò)的機(jī)率很高。基于資料庫(kù)的互連設(shè)計(jì),還有設(shè)計(jì)規(guī)則檢查(DRC),都將成為先進(jìn)封裝設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)工具。此外,以往封裝業(yè)界習(xí)慣使用的Gerber檔格式,在先進(jìn)封裝時(shí)代也必須改成GDSII檔格式。整體來(lái)說(shuō),封裝業(yè)界所使用的工具,都會(huì)變得越來(lái)越像前段Fab跟IC設(shè)計(jì)者所使用的工具。


另一方面,在芯片設(shè)計(jì)端,為了把SoC拆解成Chiplet,EDA工具也必須跟著大翻新。而且不僅是RDL Netlist、線路布局(Place & Route)的工具需要更新,設(shè)計(jì)人員還需要更多設(shè)計(jì)模擬工具來(lái)解決多晶片所衍生的電源一致性(PI)、訊號(hào)一致性(SI)、電磁相容(EMC)、散熱(Thermal)等問(wèn)題。新思(Synopsys)、楷登(Cadence)與明導(dǎo)都有對(duì)應(yīng)的解決方案。


關(guān)鍵字:Chiplet 引用地址:未來(lái)SoC的新技術(shù)—Chiplet

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