超越摩爾，三星的異構(gòu)集成之路

在近期舉辦的2021年SamsungFoundry論壇上，三星透露了2/3nm制程工藝的新進展，并公開發(fā)布了全新的17nm工藝。三星市場戰(zhàn)略副總裁MoonSoo Kang也面向產(chǎn)業(yè)合作伙伴，公布了三星在異構(gòu)集成上的計劃，如何為摩爾定律再度添加一個“維度”。
?
旗艦GPU與移動芯片的面積變化對比 / 三星

幾十年間，半導體產(chǎn)業(yè)一直在不懈地推動摩爾定律，以更先進的制程做到更多的晶體管數(shù)目，這就是我們常說的“延續(xù)摩爾”方案，也是當前計算與電路領(lǐng)域持續(xù)創(chuàng)新最大的推動力。
盡管摩爾定律的延續(xù)，芯片面積仍在擴大，比如一直在追求算力的GPU，已經(jīng)快要逼近光罩尺寸的限度了。再加上晶體管數(shù)目的增加，使得芯片設(shè)計成本和生產(chǎn)成本無休止地增加。在不少人看來，單靠“延續(xù)摩爾”不再是一個技術(shù)與成本上可持續(xù)的方案。

與此同時，更多的功能與特性集成在單個芯片上，卻又沒有單個制程可以滿足所有不同功能的需求，比如模擬、射頻、高壓等，即便可以滿足也無法達到優(yōu)秀的性能與成本平衡。“延續(xù)摩爾”的方案在這類挑戰(zhàn)面前束手無策，因此才出現(xiàn)了異構(gòu)集成這種“擴展摩爾”的方案。通過兩種方案的互補，共同做到“超越摩爾”。

Chiplet：降低成本提高良率的救星

隨著單個芯片加入更多特性，即便摩爾定律延續(xù)下去，其芯片面積仍在增加，為所有不同功能的設(shè)計區(qū)塊使用同一個制程節(jié)點成了抵消的選擇，好在如今有了Chiplet這一救星的出現(xiàn)。將一大塊裸片分成較小的chiplet，并為每個chiplet使用最優(yōu)的制程，可以顯著提高整個芯片的良率，同時減少生產(chǎn)成本。例如某些特定的接口IP并不會因為采用先進制程而獲得面積或性能上的優(yōu)化，對這些IP使用成熟制程和專用定制制程，可以做到更低的成本以及更優(yōu)的性能。
?
Chiplet方案 / 三星

另一個可行方案就是模組化的設(shè)計與制造，也就是重復(fù)使用相同的組件chiplet。不少IP模組都可以作為chiplet重復(fù)使用，只有芯片的其他部分需要重新設(shè)計和生產(chǎn)，此舉顯著減少了設(shè)計、開發(fā)與生產(chǎn)的成本，芯片廠商可以借此更快實現(xiàn)產(chǎn)品迭代。

X-Cube：垂直3D集成

異構(gòu)集成不只是為了成本和良率考慮，也能進一步提升芯片性能。傳統(tǒng)的2D設(shè)計中，信號路徑有幾毫米長。而在3D集成下，芯片的堆疊可以將信號路徑減少至幾微米，大大改進了芯片延遲。除此之外，3D集成中更出色的內(nèi)聯(lián)間距可以實現(xiàn)更高的帶寬，進一步提高芯片性能。

早在2014年，三星就首次實現(xiàn)了將寬IO內(nèi)存與移動應(yīng)用處理器的3D堆疊，也就是三星的Widcon技術(shù)。隨后，3D芯片堆疊技術(shù)繼續(xù)發(fā)展，誕生了一系列HBM內(nèi)存產(chǎn)品。HBM就是由DRAM與邏輯堆疊，并由微凸塊和TSV相連而成的。也正是因為3D堆疊技術(shù)，三星得以開發(fā)出了3層的CMOS圖像傳感器，由圖像傳感器、邏輯與DRAM三種不同的裸片堆疊在一起而成。

2020年，三星推出了X-Cube技術(shù)，這項技術(shù)使得兩個邏輯單元裸片可以垂直堆疊在一起，形成一個單獨的3D芯片，由微凸塊與TSV連接。X-Cube分為兩種形式，兩個裸片由微凸塊連接或是直接銅鍵合。
?
X-Cube路線圖 / 三星

第一代X-Cube技術(shù)（u-Bump）主要依靠微凸塊連接，三星已經(jīng)發(fā)布了針對7nm邏輯制程的TSV PDK，采用F2B結(jié)構(gòu)，凸塊間距為40um。面向4/5nm的TSV PDK也已經(jīng)發(fā)布，改用F2F的結(jié)構(gòu)，凸塊間距降低至25um。尚在開發(fā)中的第二代X-Cube技術(shù)（Bump-less）則采用了直接銅鍵合技術(shù)，間距降低至4um。

值得一提的是，英特爾的Foveros3D堆疊技術(shù)路線與三星X-Cube大致相同。第一代Foveros的凸塊間距在36um至50um之間，而下一代FoverosOmni技術(shù)同樣可以做到25um的凸塊間距。尚在開發(fā)的Foveros Direct也采用了直接銅鍵合的方式，宣稱凸塊間距降低至10um以下。

過去的X-Cube架構(gòu)中，底部裸片的面積要大于頂部裸片，然而為了更好了滿足客戶對芯片分區(qū)和散熱等不同要求，三星也將在后續(xù)提供頂部裸片大于底部裸片的結(jié)構(gòu)。目前三星已經(jīng)完成了3D堆疊SRAM的驗證，在7nm的制程下，可以做到48.6GB/s的帶寬，以及7.2ns的讀取延遲與2.6ns的寫入延遲。

除此之外，三星還提供了一項差異化技術(shù)，ISC（集成堆疊電容）。這一電容應(yīng)用了已經(jīng)在三星DRAM產(chǎn)品中獲得驗證的硅電容結(jié)構(gòu)、材料和工藝，具有1100nF/mm2的電容密度，可以有效提高電源完整性。三星的ISC還提供了多種不同的配置，比如分立型、硅中介層型和多晶圓堆疊型，以滿足客戶不同的結(jié)構(gòu)需求，ISC預(yù)計將在2022年進入量產(chǎn)階段。

I-Cube：橫向2.5D組合

另一方面，為了從橫向組合芯片，三星開發(fā)了所謂的2.5D技術(shù)I-Cube，將邏輯單元與多個HBM集成在同一硅中介層上。目前三星已經(jīng)成功實現(xiàn)了一個邏輯裸片+兩個HBM的I-Cube2量產(chǎn)，成品之一就是百度的昆侖AI芯片。百度的昆侖AI芯片不僅使用了三星的14nm制程，也運用了三星的I-CUBE 2技術(shù)。

I-Cube使用了預(yù)篩選的技術(shù)，在封裝的中間階段進行運算測試，從而提高良率。該技術(shù)還采用了無封膠的結(jié)構(gòu)，做到更好的散熱性能，據(jù)三星強調(diào)，與傳統(tǒng)的2.5D方案相比，I-Cube的散熱效率高上4.5%。此外，與其他代工廠商相比，三星的I-Cube技術(shù)還有一些優(yōu)勢，比如與三星內(nèi)存合作，率先用上最新的內(nèi)存方案

?
I-Cube4示意圖 / 三星
目前三星已經(jīng)在計劃集成4HBM3模組的I-Cube4量產(chǎn)工作，而6 HBM的I-Cube6也已經(jīng)做好量產(chǎn)準備，前者預(yù)計2022年進入大批量產(chǎn)階段。三星更是準備了兩個邏輯裸片+8個HBM的I-Cube8方案，目前尚處于開發(fā)階段，預(yù)計2022年末將正式上線。
?
2D至3.5D的封裝方案 / 三星

除了2D、2.5D與3D的IC技術(shù)之外，三星還在開發(fā)全新的3.5D封裝技術(shù)，這種系統(tǒng)級封裝內(nèi)還將加入堆疊的定制DRAM或SRAM裸片，實現(xiàn)更高的性能與密度。

小結(jié)

在開發(fā)2.5D/3D集成的多芯片或多Chiplet系統(tǒng)級芯片時，設(shè)計者往往還會遇到在傳統(tǒng)單芯片設(shè)計上罕見的技術(shù)障礙，比如多出來的接口IP或潛在的功耗增加。這時候，三星、臺積電和剛進入IDM 2.0的英特爾等代工廠商還會提供異構(gòu)設(shè)計的方法和工具，幫助設(shè)計者克服這些挑戰(zhàn)。在異構(gòu)集成的大勢之下，代工廠也將提供更多的服務(wù)模式，增加封裝、測試以及一站式的設(shè)計服務(wù)。