Chiplet與異構(gòu)集成即將改變電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、測(cè)試和制造方式。芯片行業(yè)的“先知”們相信這個(gè)未來(lái)是不可避免的。他們認(rèn)為，相比于最新的設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)，異構(gòu)、多chiplet的架構(gòu)可以降低成本和功耗。盡管這一預(yù)測(cè)得到了廣泛的接受，但問(wèn)題是，大家都準(zhǔn)備好了嗎？

前不久在舊金山的Semicon West上，Applied Materials舉行了異構(gòu)集成討論會(huì)，由他們的半導(dǎo)體產(chǎn)品組的副總裁Vincent DiCaprio主持，討論了fabless芯片設(shè)計(jì)師、代工廠和生產(chǎn)設(shè)備公司開發(fā)的特定異構(gòu)集成策略。這場(chǎng)對(duì)話揭示出，在市場(chǎng)看到更廣泛的chiplet實(shí)現(xiàn)之前，還存在一些重大挑戰(zhàn)。

Chiplet的前景吸引了許多fabless公司，尤其是那些為高性能計(jì)算解決方案開發(fā)CPU和GPU的公司。然而，高昂的成本讓Qualcomm這樣重要的玩家望而怯步。異構(gòu)集成的一個(gè)大問(wèn)題是先進(jìn)的封裝技術(shù)，wafer-to-wafer鍵合或die-to-wafer鍵合。

代工廠或是OSAT（outsourced semiconductor assembly and test），誰(shuí)來(lái)負(fù)責(zé)高級(jí)封裝技術(shù)是個(gè)大問(wèn)題。這兩方將何時(shí)開始合作，如何合作？最重要的是，由于缺乏計(jì)量工具，討論組的成員們紛紛表示，推動(dòng)chiplet的快速采用變得難以負(fù)擔(dān)。 小組討論包括AMD、Intel、Qualcomm、Besi和EV Group的代表。Besi是一家設(shè)計(jì)和制造半導(dǎo)體設(shè)備的荷蘭公司。總部位于奧地利的EV Group是晶圓鍵合和光刻設(shè)備供應(yīng)商。

AMD：異構(gòu)集成的早期采用者

AMD是異構(gòu)集成的早期采用者。AMD的技術(shù)和產(chǎn)品工程高級(jí)副總裁Mark Fuselier將其描述為“跨越過(guò)去十年的旅程”。通過(guò)“將SoC解構(gòu)成多個(gè)片段，然后在封裝中重新組合起來(lái)”，AMD首先在數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)了基于Zen的CPU。

但是，“當(dāng)我們開始熟悉chiplet時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)其中有更多的機(jī)會(huì)。”AMD的異構(gòu)集成第二代是“將內(nèi)存更靠近邏輯部分”。首先是在圖形空間中使用了HBM（high bandwidth memory）。Fuselier稱之為AMD的“一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)”，他解釋說(shuō)最近正在讓SRAM更靠近CPU。

他指出，第三代更加令人興奮。AMD看到其未來(lái)在于“實(shí)現(xiàn)真正的異構(gòu)集成，優(yōu)化chiplet以適應(yīng)CPU或GPU計(jì)算。”它已經(jīng)成為了“一個(gè)架構(gòu)師的夢(mèng)想，能夠優(yōu)化每一個(gè)計(jì)算空間中的工作負(fù)載。”

Qualcomm：移動(dòng)領(lǐng)域中的chiplet？

當(dāng)AMD利用異構(gòu)集成服務(wù)于客戶端和數(shù)據(jù)中心時(shí)，Qualcomm在移動(dòng)領(lǐng)域的定位又在哪里呢？

Qualcomm的副總裁兼研究員Chidambaram指出，“Qualcomm要想在智能手機(jī)市場(chǎng)上繼續(xù)生產(chǎn)更具競(jìng)爭(zhēng)力的超大批量產(chǎn)品，我們需要超越摩爾定律的創(chuàng)新。”

他說(shuō)：“五年前，我知道GAA將是2022年的技術(shù)。但是從現(xiàn)在起五年后，我不確定我們會(huì)做什么。”他強(qiáng)調(diào)，Qualcomm看到自己“走在橫軸和縱軸之間的二維空間里”，其中“吞吐量成為一個(gè)關(guān)鍵向量，而不是規(guī)模”。

盡管Qualcomm對(duì)chiplet思考很多，但Chidambaram表示，由于chiplet無(wú)法滿足Qualcomm的成本要求，所以還沒有相關(guān)產(chǎn)品。

盡管如此，隨著市場(chǎng)從5G轉(zhuǎn)向6G，Qualcomm看到了chiplet的潛力。他解釋說(shuō)，從整體上看，一個(gè)系統(tǒng)有大量的射頻、電源管理和內(nèi)存。Chidambaram說(shuō)：“插入損耗很大，功率放大器的性能必須非常接近系統(tǒng)芯片的其他部分。異構(gòu)集成成為將所有這些整合在一起的關(guān)鍵。”

智能手機(jī)并不是6G轉(zhuǎn)型唯一重要的領(lǐng)域。Chidambaram舉了十字路口的例子。“一旦你完全實(shí)施了6G，借助異構(gòu)集成將延遲從現(xiàn)有的7-8ms降低到1-2ms，你就可以讓路邊單元完全管理十字路口，人們甚至不需要停車。”

當(dāng)然。他承認(rèn)，啟用這樣的功能需要“大量的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，才能履行所有的延遲要求和承諾，以及在路邊單元上的連接數(shù)量。”

Intel：chiplet制造所需的關(guān)鍵技術(shù)

談到異構(gòu)集成，Intel擁有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。Intel的業(yè)務(wù)涵蓋了芯片設(shè)計(jì)、內(nèi)部制造和外部代工服務(wù)。

Intel的高級(jí)副總裁兼裝配/測(cè)試開發(fā)總經(jīng)理Babak Sabi說(shuō)：“未來(lái)，Intel看到了需要將大量的內(nèi)核與內(nèi)存結(jié)合……以絕對(duì)最低的延遲和最高的帶寬”，這一切都會(huì)歸結(jié)為“互連和封裝問(wèn)題”。

Sabi指出，可以通過(guò)混合鍵合來(lái)堆疊芯片，這有助于減少每比特的皮焦。除了這種物理連接，“橫向集成”也是必要的，Sabi強(qiáng)調(diào)，以盡可能密集的方式連接芯片。他說(shuō)，這一步需要?jiǎng)?chuàng)新，“超越我們?cè)诰A級(jí)裝配中已經(jīng)擁有的技術(shù)”。

這就是玻璃基板變得極其重要的地方。Sabi說(shuō)：“它讓我們能夠?qū)⑦@些巨大的復(fù)合體組合在一起，你可以完全消除interposer。我知道大家都喜歡銅，但銅最終會(huì)耗盡高速通信的能量。”未來(lái)在于Sabi所說(shuō)的“光學(xué)領(lǐng)域”。

混合鍵合的現(xiàn)狀

無(wú)論是wafer-to-wafer還是die-to-wafer，混合鍵合都是實(shí)現(xiàn)chiplet高級(jí)封裝的關(guān)鍵。

BE Semiconductor Industries N.V.（Besi）的CEO Richard Blickman表示，混合鍵合中最關(guān)鍵的元素是“裝配、互連和前端之間的握手”。這個(gè)過(guò)程仍然“處于非常早期的階段”。

盡管不愿預(yù)測(cè)混合鍵合何時(shí)會(huì)在更大規(guī)模上被采用，但Blickman強(qiáng)調(diào)，在過(guò)去的兩年里，已經(jīng)有了大批量chiplet設(shè)計(jì)的PoC。不過(guò)，他回顧說(shuō)，flip chips在23年前就已推出，但多年后才成為主流，因此他建議大家耐心等待。他指出，混合鍵合需要更精確的粒子，這是設(shè)備供應(yīng)商面臨的“最大的敵人之一”。設(shè)備本身必須更小。

EV Group的技術(shù)執(zhí)行總監(jiān)Paul Lindner指出，“我們將晶圓鍵合視為規(guī)模提升的推動(dòng)器……它提供了將有源層從一個(gè)晶圓轉(zhuǎn)移到另一個(gè)晶圓的可能性，從而進(jìn)入晶圓背面。”

Lindner指出，晶圓鍵合已經(jīng)得到了不同的實(shí)現(xiàn)，包括SOI晶圓（鍵合晶圓）。另一個(gè)大量應(yīng)用的例子是BSI傳感器（backside illuminatedsensor），這種傳感器可以接觸到光電二極管的背面，而不會(huì)受到布線的阻礙。他解釋說(shuō)，這提高了傳感器的靈敏度。Lindner還看到3D NAND閃存正在采用混合鍵合。

混合鍵合的挑戰(zhàn)????????

那么，怎樣才能加快混合鍵合的應(yīng)用并實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)呢？

AMD的Fuselier說(shuō)，“混合鍵合的神奇之處真的在于它所能帶來(lái)的密度”，這為芯片設(shè)計(jì)者提供了更多選擇。

“作為一個(gè)架構(gòu)師，我們需要弄清楚如何最好地利用這種密度來(lái)應(yīng)對(duì)我們面臨的一些挑戰(zhàn)，無(wú)論是logic to logic，還是interconnect logic to memory。”Fuselier解釋說(shuō)，還需要出現(xiàn)更多的創(chuàng)新。為此，“我們需要開發(fā)工具集來(lái)推動(dòng)這種互連。”

他說(shuō)，雖然晶圓廠有很多工具，但封裝方面的工具集不足以讓芯片設(shè)計(jì)者決定是否使用混合鍵合。

Intel的Sabi從制造角度闡述了混合鍵合的問(wèn)題。

他指出，晶圓廠和封裝供應(yīng)商之間的更緊密合作至關(guān)重要。像混合鍵合這樣的技術(shù)“真的打破了兩者之間的界限”。在眾多挑戰(zhàn)中，他指出，互連的密度是巨大的。“我們需要極端的粒子控制能力，才能使CMP工藝保持原狀”，這是在整個(gè)晶圓上實(shí)現(xiàn)這種機(jī)制所必需的。

根據(jù)Intel的說(shuō)法，圍繞混合鍵合的許多挑戰(zhàn)可歸結(jié)為計(jì)量工具。Sabi說(shuō)，“我們強(qiáng)調(diào)計(jì)量工具。因?yàn)槲覀儽仨氁业絾?wèn)題，這樣才能解決它們。”

考慮到混合鍵合模糊了傳統(tǒng)的前端處理和后端裝配測(cè)試之間的界限，像Qualcomm這樣的fabless巨頭需要什么呢？

Chidambaram指出，這一切都與系統(tǒng)級(jí)集成有關(guān)。在討論公司內(nèi)部的系統(tǒng)集成時(shí)，他說(shuō)，“負(fù)責(zé)CPU的人和其他開發(fā)射頻的人對(duì)彼此的領(lǐng)域了解不深。”為了實(shí)現(xiàn)不同領(lǐng)域的“協(xié)同優(yōu)化”，“我們需要工具，以及人們可以在這些不同領(lǐng)域之間使用的語(yǔ)言。”

Chidambaram從三維層面詳細(xì)介紹了混合集成，他說(shuō)，“你說(shuō)的是創(chuàng)造一種后端類型的集成。要做到這一點(diǎn)，你需要所有的物理學(xué)來(lái)解決問(wèn)題，同時(shí)還需要解決多個(gè)芯片的電氣行為。你把一個(gè)模塊從頂部移動(dòng)到底部，它會(huì)改變你的熱行為、改變你的機(jī)械行為，你需要同時(shí)優(yōu)化所有這些東西。”

阻礙chiplet發(fā)展的最大問(wèn)題是工具集。現(xiàn)有的各種工具，可以分別解決一些特定的問(wèn)題。但這個(gè)行業(yè)需要投資并開發(fā)能夠從三維角度解決異構(gòu)集成問(wèn)題的工具。

審核編輯：劉清