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2018/05/24

【电子工程专辑】芯片产业前进「异质整合」新时代(上)

【新闻参考资料】

我们正迈向一个有AI、AR/VR以及自动驾驶车辆等众多创新应用问世的新时代,但大多数芯片业者似乎还不确定该如何因应这个新世界所带来的挑战…特别是当摩尔定律(Moore’s Law)已经接近经济学上的极限,半导体产业接下来该往哪个方向走?

在25年的时间内,当Facebook、Google与Amazon透过自己设计芯片称霸全球市场之后,半导体产业的面貌会有什么变化?在某种程度上,我们已经看到未来、而且它已经发生:大数据分析、人工智能(AI)、扩增/虚拟实境(AR/VR)、自动驾驶车辆等新技术已经问世──虽然未臻完美之境。

尽管如此,大多数芯片设计工程师甚至无法想像那样一个大无畏的新世界,更别说那些他们必须保持在流行前线的创新发明;但让工程师们头痛的一个问题是,产业发展的方向全然不确定。随着摩尔定律(Moore’s Law)接近「经济上的死角」,对大多数芯片供应商(除非是Intel或Samsung等大厂)来说,该转往其他哪个方向?

2016年7月,半导体产业协会(SIA)发表最后一期的国际半导体技术蓝图(ITRS)报告(参考连结),这意味着产业界已经承认摩尔定律不只是速度趋缓,而是产业界需要新的工具、统计图表与程序,来定义技术研发之间的差距所在,以及在这个连结性更强的世界该何去何从。这也是台湾IC设计公司钰创(Etron)创办人、董事长暨执行长卢超群(Nicky Lu)要出力的地方。

钰创(Etron)创办人、董事长暨执行长卢超群(Nicky Lu)

卢超群一直在提倡「异质整合」(heterogeneous integration,HI),他推广这个概念是因为半导体产业至少必须要脱离对制程节点微缩的癡迷;为了取得成长动力,产业界必须以「不同技术的异质整合」来创新。

不过卢超群所提倡的HI并非异质整合SoC、系统级封装(SiP)或多芯片模组(MCM),而是一种「整体化(holistically)的整合性解决方案」,牵涉系统设计、演算法与软体,结合不同的矽元件如SoC、DRAM、快闪记忆体、ADC/DAC、电源管理、安全芯片,以及可靠性控制元件。

到目前为止,芯片产业在SiP技术领域已经有大幅度的进展;卢超群表示:「在2018年的现在,我已经看到市场对于更复杂HI的需求,实际上不只整合矽芯片,还包括非矽材料。」

HI背后的三个IEEE学会

电子测试业者3MTS (Third Millennium Test Solutions)董事长Bill Bottoms表示,订定「异质整合蓝图(Heterogeneous Integration Roadmap,HIR)的基础工作在2015年展开,当时SIA与一个IEEE学会签署了合作备忘录,由Bottooms以及日月光(ASE)的院士William Chen担任HIR委员会的共同主席。

2016年,HIR获得三个IEEE学会的正式赞助,包括电子封装学会(Electronics Packaging Society,EPS)、电子元件学会(Electronic Devices Society,EDS)以及光子学会(Photonics Society);国际半导体产业协会(SEMI)以及美国机械工程师学会(American Society of Mechanical Engineers,ASME)的电子与光子封装分会(Electronic and Photonic Packaging Division,EPPD)也加入了HIR订定工作。

从去年开始一切步入正轨。随着HIR委员会在世界各地举办研讨会宣传其使命,「总共有接近1,000位科学家、研究人员与资深工程师出席我们的活动并承诺参与HIR;」Bottoms表示,在委员会成员方面,「我们致力于将标准品质维持非常高的水准,我们只选择那些拥有技术证照,并且真正愿意为每个技术工作小组贡献力量的人。」

Bottoms解释,一般只是想吸收资讯的市场旁观者不会被委员会接纳;他所定义的HIR委员会任务范围是:「定义我们需要克服的困难挑战,以因应未来15年、25年新兴研究领域之技术需求。」他指出,该组织正在开发一个「竞争前期」(pre-competitive)蓝图,而集中产业界资源去规划未来,会比多头马车各自努力更有效率。

HIR委员会将具潜力的首要整合技术解决方案视为「复杂的SiP结构」。Bottoms表示,在很多方面,产业界开始关注将矽元件与非矽材料整合在单一封装中的产品;「一个很好的HI案例是Intel的光子光学收发器(photonics optical transceivers),」他解释,Intel以矽晶圆平面制造技术支援电-光收发器的量产。

另一个案例是Apple Watch 2采用之第二代SiP技术「S2」;与第一代技术S1一样,该SiP模组在一个模组中混合了不同封装形式,包含能以裸晶堆叠的零组件(例如CSP、WLP等封装)、传统的打线封装,甚至是层叠封装(package-on-package)等多芯片的配置,或是多芯片堆叠的DRAM、NAND快闪记忆体。

Bottoms表示:「Apple到目前为止已经将SiP概念推向未来──这是一条前人未走过的路。」如拆解分析机构TechInsights的Apple Watch 2拆解报告写道:「S2封装内含超过42颗芯片!在这种小型封装中有非常多芯片。」对于S2内部的98个互连,Bottoms表示惊叹。

对卢超群来说,没有其他事情比看到HI幕后势力渐长更让他开心;他接受EE Times访问时表示,异质整合不再只是他自己一头热,而是已经广布于电子产品。

在今年稍早,卢超群于一场在美国硅谷举行的IEEE会议上发表题为「透过异质整合技术实现的AI与Silicon 4.0时代协同成长」(Synergistic Growth of AI and Silicon Age 4.0 through Heterogeneous Integration of Technologies)的演说;他表示:「有很多人在听了我的演讲后来找我,他们都非常兴奋。」

为何那些人如此兴奋?卢超群的演说并非关于异质整合技术细节,而是将焦点集中在扩大半导体产业的研发范围。现在芯片产业已经不再押注制程的持续微缩,他认为产业界可以将知识应用于更大的任务,而下一步是在跨不同领域的产业实现「普适智慧」(pervasive intelligence),从AI、人类、自然界到生物、细胞、细菌以及医疗智慧。

卢超群解释,探讨下一代AI芯片的最佳化设计是一回事,人人都在做;但如果产业界需要能延伸至未来25年的「技术蓝图」,最好要开始着墨普适智慧。在进一步了解卢超群所定义的普适智慧之前,得先了解他对异质整合的兴趣是如何演变而来…