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半導體

巨頭競逐Chiplet,先進封裝技術風頭正盛

近日,在今年的Hot Chips國際大會上,AMD談到了其現有的小芯片(Chiplet)設計以及多層芯片的未來發展方向,并表示AMD有14種用于Chiplet的封裝架構正在研發中。可見,AMD已經全面進入3D Chiplet時代。在先前的英特爾架構日中,英特爾發布下一代至強可擴展處理器(代號為“SapphireRapids”),即采用2.5D的嵌入式橋接解決方案,在Chiplet領域又邁出了關鍵一步。此外,臺積電、AMD、賽靈思等芯片巨頭廠商也開始紛紛入局Chiplet,形成了百家爭鳴的場面。而事實上Chiplet早在10年前就已出現,為何在近兩年卻成為了巨頭們競逐的焦點?隨著后摩爾時代的來臨,對于先進封裝的研發是否將替代先進工藝制造的研發?

巨頭紛紛發布前沿封裝技術

近年來,AMD、英特爾、臺積電、英偉達等國際芯片巨頭均開始紛紛入局Chiplet。同時,隨著入局的企業越來越多,設計樣本也越來越多,開發成本也開始下降,大大加速了Chiplet生態發展。據Omdia報告,到2024年,Chiplet的市場規模將達到58億美元,2035年則超過570億美元,Chiplet的全球市場規模將迎來快速增長。

作為代工界巨頭的臺積電,自然也在重兵押注,比三星、英特爾更早地采用了Chiplet的封裝方式。臺積電負責人向《中國電子報》記者介紹,臺積電推出了3DFabric,搭載了完備的3D硅堆棧(3D Silicon Stacking)和先進的封裝技術。3DFabric 是由臺積電前端3D硅堆棧技術TSMC SoIC系統整合的芯片,是由基板晶圓上封裝(Chip on Wafer on Substrate, CoWoS)與整合型扇出(Integrated Fan-Out, InFO)的后端3D導線連接技術所組成,從而能夠為客戶提供整合異質小芯片(Chiplet)的彈性解決方案。據了解,該項技術先后被用于賽靈思的FPGA、英偉達的GPU以及AMD的CPU。

在臺積電諸多Chiplet的客戶中,AMD無疑是這波Chiplet風潮的引領者。AMD高級副總裁、大中華區總裁潘曉明同《中國電子報》記者介紹,早在2017年,AMD在推出的處理器上便采用了Chiplet技術,將4個SoC相互連接。在下一代產品中又通過Infinity技術將8個7nm Chiplet 小芯片和1個12nm Chiplet I/O相互連接。近期,AMD也發布了其實驗性的產品,即基于3D Chiplet技術的3D V-Cache。該技術使用臺積電的3D Fabric先進封裝技術,成功地將含有64MB L3 Cache的Chiplet以3D堆疊的形式與處理器封裝在了一起,且已經有14種用于Chiplet的封裝架構正在研發中。

作為全球排名第一的EDA解決方案供應商,新思科技也在致力于Chiplet解決方案的研發。新思科技向《中國電子報》記者表示,現有的各種單點工具只能解決3D IC設計中細枝末節的難題,為此新思科技推出了3D IC Compiler,為Chiplet的集成提供了統一的平臺,為3D可視化、路徑、探索、設計、實現、驗證及簽核提供了一體化的超高收斂性環境,能夠將系統級信號、功耗和散熱分析集成到同一套緊密結合的解決方案中。

對于中國半導體而言,Chiplet被視為中國與國外差距相對較小的先進封裝技術,有望帶領中國半導體產業在后摩爾時代實現質的突破,因此,Chiplet技術也成為了中國半導體企業的“寵兒”,紛紛走向Chiplet研發的道路。作為中國三大封測企業之一的長電科技,如今也在積極布局Chiplet技術。

長電科技首席技術長李春興同《中國電子報》記者介紹,長電科技正在布局多維扇出集成技術XDFOITM(X-Dimensional Fan-out Integration, XDFOITM)。XDFOITM是一種以2.5D TSV-less為基本技術平臺的封裝技術,在線寬/線距可達到2μm/2μm 的同時,還可以實現多層布線層,以及2D/2.5D和3D多種異構封裝,能夠提供小芯片(Chiplet)及異構封裝的系統封裝解決方案。

競逐Chiplet訴求各不相同

事實上,Chiplet并非是一個新的概念,早在十年前就已提出,為何如今成為芯片巨頭們爭相競技的焦點?

據了解,在以往,設計一個系統級芯片的方法是從不同的IP供應商購買一些軟核(代碼)或硬核(版圖)的IP,并結合自研的模塊,集成為一個SoC,然后在某個芯片工藝節點上完成芯片設計和生產的完整流程。而Chiplet的出現,對于某些IP而言,不需要自己做設計和生產,只需要購買IP,然后在一個封裝里集成起來,形成一個SiP(System in Package)。可見Chiplet也是IP的一種,但它是以硅片的形式提供的。

“Chiplet是通過系統級封裝,使得更多的功能能夠集成在一個系統中,從而實現更低的功耗。但是芯片巨頭們入局Chiplet,實際上是有各自不同的訴求的。” 中科院微電子所副所長曹立強向《中國電子報》記者表示。

其一,隨著摩爾定律的不斷延伸,芯片也在不斷向先進制程發展,流片費用變得越來越高昂,流片成功率也變得越來越低,因而芯片成本也在不斷提升。但是,通過將大芯片拆成小芯粒,再通過SiP的手段將其合成一個再造芯片的方式,可以大大減少成本,還可以達到先進制程的功能。例如,Marvell 提出的Mochi 概念,便是采用Chiplet技術,可以最大程度降低成本,還能對芯片進行模塊化設計,各個模塊還可以重復利用。

其二,對于資本力量比較雄厚的芯片巨頭而言,技術瓶頸往往是阻礙其發展的最大困境。隨著芯片制程不斷縮小,技術瓶頸也使得越來越多的芯片廠商選擇推出先進制程進行競爭。許多廠商開始利用Chiplet的方式,把大芯片拆分,從而達到與先進制程相似的功能。例如,賽靈思3D IC 使用堆疊硅片互聯 (SSI) 技術打破了摩爾定律的限制,且能夠提供行業最高邏輯密度、帶寬和片上資源及突破性的系統集成。

其三,對于資本力量雄厚,且技術能力過關的半導體企業,芯片良品率往往是制約其產品落地的關鍵因素。例如,AMD先前與臺積電聯合開發的5nm芯片,良率跌破50%,因此AMD選擇采用Chiplet的方式大大提升了芯片良率。

其四,隨著人工智能、大數據、云計算等新興行業的興起,存算一體的融合架構模式也成為了如今的市場所需,而這也是英特爾入局Chiplet的關鍵因素所在,利用Chiplet將不同的功能切開,再進行組合搭配,使得CPU能夠在不同的情況下實現快速轉換,從而正常運行。

“雖然巨頭們使用Chiplet技術的理由各不相同,但是從側面也反映出如今Chiplet技術得到了行業內的認可和重視。”曹立強說。

先進封裝VS先進工藝制造

此前,封裝技術往往被視為半導體產業鏈中技術含量最低的一道工序,而角逐的“主戰場”往往是在芯片設計以及芯片制造的環節。然而,在即將到來的后摩爾時代,芯片先進制程逐漸突破物理極限,人們開始由先前的“如何把芯片變得更小”轉變為“如何把芯片封得更小”,以Chiplet為首的先進封裝技術隨之浮出水面。

根據Yole預測,先進封裝市場將在2022年時年營收大約可達329億美元,屆時市場規模將超過傳統封裝規模。先進封裝市場的營收將以6.6%的年復合增長率成長,而傳統封裝市場年復合增長率僅為1.1%。可見,后摩爾時代讓封裝技術搖身一變成為占領芯片技術高地的關鍵一環。

然而,這是否意味著先進封裝將超越先進工藝技術的發展?

雖然相比較于芯片設計以及芯片制造而言,芯片封裝技術門檻較低,但這并不意味著先進封裝技術更容易實現。“集成電路作為高技術型產業,任何一項新技術的出現都需要很長的時間來進行摸索。目前Chiplet還是一個比較新的技術,許多芯片玩家‘嗅’到了這個領域的市場機遇便開始紛紛入局,芯片設計企業、系統架構企業等紛紛開始做Chiplet,形成了新的生態環境,但如今這個生態環境還沒有一個很好的領軍企業來牽頭,也使得如今Chiplet的生態環境還比較混亂,并不穩定。”曹立強說。

與此同時,曹立強認為,在集成電路領域中,沒有先進和落后的技術,只有成熟工藝和先進工藝的區分,先進封裝技術并不會取代先進工藝技術的發展,而是二者共同發展。

“任何技術的出現,都是有它的價值和意義的,只有最合適的技術,沒有最好的技術。制造和封裝二者之間并不是替代的關系,而是并存的關系,只是應用的領域不一樣。對于Chiplet等先進封裝技術而言,是對先進制造環節的一個必要補充手段,但是若沒有先進制造作為前提條件,先進封裝技術也僅僅是空中樓閣。” 曹立強說。

因此,對于中國半導體而言,盡管以Chiplet為首的封裝技術,是如今中國半導體產業實現質的發展的關鍵,但是曹立強認為,僅僅通過先進封裝技術,來彌補前道工序的不足,是遠遠不夠的,因此,中國半導體在大力拓展先進封裝技術的同時,也需要在先進制造方面努力發展,從而才能真正實現大的跨越。

責任編輯:沈叢


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