异构整合揭开半导体未来20年产业蓝图

2019/10/25


智能手机的问世,给半导体产业设定了一个明确的目标,就是芯片体积只能愈来愈小,同时功能还要愈来愈强大。接着IoT来了,更多元的想像又被加了上去,芯片的设计和制造至此来到一个新的转折。



于是,异构整合(Heterogeneous Integration)的概念,就砰然降临到了半导体的舞台上。




SoC催生异构整合思维SiP带来实作成果

要谈异构整合之前,就先得知道同构(Homogeneous)整合。言简意赅的一句,就是相同功能的相加。最最经典的例子,就是CPU的多核心设计,不管是大核加小核,或者四核和八核,都是同样的原则。




但在体积尺寸限制的前提下,同构整合的设计必定要往更小的制程发展,因此也有一说,同构整合和摩尔定律是互为因果。




只不过体积终究只是终端需求的其中一项,更困难的是把其他的功能也加在一起。因此系统单芯片(System on a Chip,SoC)的概念就诞生了,不仅要小体积,同时要具备其他的功能,最好把整个系统都做在一颗芯片里头。完整的体现就是如智能手机这类型的产品,轻轻薄薄的一台,却强过了过往的任何一台PC。




什么是异构整合,就是把分开制造的元件进行更高层级的组装,而这个集合将可以提供更强的功能性,同时也改善运作的品质。




有了SoC的设计思维,整合异构的想法也就慢慢诞生了。但由于SoC的设计和生产皆不易,尤其到了更先进的纳米制程之后,一颗SoC的开发费用动辄达到数十亿元,一般中小型的公司根本难以负担,因此转用封装的方式来达成整合的效果,则是更经济和务实的做法,因此系统级封装(System in a Package,SiP)便逐渐吸引了更多的目光。




而随着制程与设计架构的持续发展,传统的2D平面设计逐渐不敷使用,立体式的制程架构开始被提出,于是芯片制造商便转往3D IC和3D封装的技术研发,而这种新型态的3D晶片制程技术更为异构整合带来了更多的可能性。




成立聚焦团队具体描绘异构整合发展蓝图

因此,国际半导体技术发展蓝图组织(International Technology Roadmap for Semiconductors,ITRS)在2014年成立了异构整合的聚焦团队,并在隔年于半导体产业(SIA)的认可之下,与IEEE的电子封装社群( EPS)签属了合作备忘录(MOU),确保异构整合可以永续的发展。至此,异质整合正式成为半导体产业的发展方针。




在2015年的半导体2.0国际技术蓝图里,异构整合首次有了明确的说明,在其将近100页的内容里完整的描述了异构整合所涉及的种种面向。




什么是异质整合,ITRS解释,就是把分开制造的元件进行更高层级的组装,而这个集合将可以提供更强的功能性,同时也改善运作的品质。而这里所称的元件,应该要包含个别的裸晶(die)、MEMS装置、被动元件、组成的封装,或者被整合至单一封装里的子系统。




而所谓的运行性能,也应该要采用最广义的思考,例如拥有者的系统成本。




ITRS指出,传统的COMS制程已经接近极限,而持续的产业成长和持续缩减的每单位功能成本,将需要新的装置型态、新的封装架构和新的材料来因应。尤其当摩尔定律可能走到终点的时候,透过在封装上创新的异质整合和三维架构技术所达到的功能多样化,必须适时接棒而起。




3D封装与有效率的供应链是关键

而采用封装制程的SiP将会是最关键的技术,它是平衡性能多样化与成本的最佳解决方案。因应这个新架构,包含印刷电路、更薄的晶圆、以及主动/被动的嵌入式装置都会因此而兴起,然后用在封装的生产设备和制程材料也会有快速的变化,以满足新的架构需求。




未来15年内,异构整合的布局会着重在组装(assembly)和封装(packaging)、测试、与导线互连(interconnection)技术。而SiP架构将是异构整合技术的主要贡献。




卢超群指出,他所发明的新型记忆体能轻易的被整合至各式的嵌入式设计中,同时钰创也提供KGD(Known good die)的规格,以便被运用在SiP和其他的晶片整合技术中,进一步实现更高性能且多工的终端产品。




他表示,异质整合是未来20~30年半导体发展的重要方向,透过把一个系统用不同晶片整合在一起,产生可用于不同领域的应用,像是把感测或者运算的元件整合到生医领域中,产生能治疗癌症的装置,这就是异质整合其中一个实际的应用案例。




结语

日前,在2019的Hot Chips论坛上,英特尔也再次展示了首款使用Foveros 3D封装技术的Lakefield PC处理器。该处理器就是英特尔首次使用异构整合架构的处理平台,透过整合了CPU、GUP与记忆体元件等,在一颗芯片内实现了市场罕见的功能与性能。




英特尔新芯片的问世,将会是一个序曲,接下来可见到越来越多的厂商发表类似架构的产品。而随着技术与市场的成熟,异质构整合的时代大戏,也就会慢慢登场了。

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