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2018/05/25

【电子工程专辑】芯片产业前进「异质整合」新时代(下)

【新闻参考资料】

卢超群相信,异质整合技术不但会成为芯片业者的动力,「其他正在寻找新应用的产业,也能因为以IC为中心的系统解决方案而添加更多价值。」

钰创(Etron)创办人、董事长暨执行长卢超群(Nicky Lu)在台湾出生、受教育,后来赴美深造取得史丹佛大学(Stanford University)的电子工程硕士与博士学位;IBM Research是他职业生涯的起点,最为人所知的是他参与发明了3D-DRAM技术,以及开发了高速CMOS DRAM (HSDRAM)。

数十年来,这位技术高手用他具感染力的微笑与热情的态度,在半导体产业界成为说话有份量的人物。卢超群从他在2004年的国际固态电路会议(ISSCC)发表关于异质整合(HI)的演说之后,就一直致力提倡这个概念;他在演说中指出:「未来的系统芯片将会完全利用在单一封装中的多维整合,内含的多芯片包括各种数位、类比、记忆体与RF功能及技术。」

卢超群当时对3D IC时代即将来临的预测被认为是大胆的想法;在芯片世界大部份还是依循摩尔定律(Moore’s Law)──唯一原则就是电晶体持续微缩──的那个时候,他希望可以证明芯片的垂直整合能实现的成果。

封装技术的进展

时间快速前进到2018年,现在可以很公正地说系统级封装(SiP)时代已经来临,至于摩尔定律气数已尽的说法则是被夸大了。

现今的芯片封装技术与2004年那时候相较,已经有非常显着的进步;台积电(TSMC)所开发的整合扇出式(InFO)晶圆级封装技术,让Apple得以用非常薄的层叠封装(package-on-package,PoP),结合大量的I/O焊垫以及为iPhone 7的应用处理器A10提供更佳的散热管理。

InFO平台的重分布层(re-distributed layer)技术将矽芯片直接与PCB连结,不需要额外的基板;卢超群表示,台积电设计的直通互连通孔(Through Interconnect Via,TIV)能「利用混合性的垂直与水平互连技术,提供支柱以连结不同的芯片或零组件;」InFO证实了其短垂直连结与长水平之间的链路,能加速资讯传输。

台积电的InFO技术结构

(来源:EE Times)

 

对于异质整合技术的未来,卢超群充满希望;他指出,台积电以3D晶圆为基础的系统整合──包括CoWos (chip-on-wafer-on-substrate)与InFO──是非常棒的例子,因为展示了如何实现另一种等级的微系统性能与堆叠。

而促使台积电实现InFO技术突破的,是Apple而非其他传统芯片业者;卢超群认为,从Apple的A10处理器与Apple Watch 2采用的第二代SiP技术这些例子可以看出,芯片产业必须要看得更远,必须要努力挖掘那些不只是芯片供应商同业、还有其他产业所热烈追求的「智慧」解决方案。

卢超群相信,异质整合技术蓝图(HIR)不但会成为芯片业者的动力,「其他正在寻找新应用的产业,也能因为以IC为中心的系统解决方案而添加更多价值。」

把蛋白质当硬体、DNA当软体

今年2月,卢超群在HIR会议上发表的演说激励了许多人,因为他将HI概念延伸到更长远的未来;他以「细胞智慧」(cell intelligence)为例,说明电子产业的专长能如何被利用。

「试想把蛋白质当作硬体,DNA则是在上面执行的软体;」他指的是所谓的合成生物电路(synthetic biological circuits),在细胞内的生物性元件被设计为执行模仿电子电路的逻辑功能。卢超群的公子卢冠达(Timothy Lu)就专注于细胞疗法研究;他为吹嘘自己儿子的成就道歉,但强调打造全新的基因电路已经不只是梦想。

卢冠达是美国麻省理工学院(MIT)的生物工程、电子工程与电脑科学副教授,也创立了一家合成生物学公司Senti Bio,这家新创公司在今年稍早的A轮募资中筹得5,300万美元资金。卢冠达最近接受生物工程专业媒体Symbiobeta访问时表示,他的公司「专注于利用合成生物学工具来打造下一代的细胞与基因治疗法,具备适应、感测与回应能力,而且比现有的细胞与基因疗法具备更广泛的效应。」

他也提及从不同的实验室导入最先进的技术:「整体来说,那些实验室已经展现了能以多输入多输出(MIMO)类型的系统,来编程复杂精密的逻辑。」

用于癌症免疫疗法(Cancer Immunotherapy)的合成RNA免疫疗法基因电路

(来源:www.cell.com)

 

其他「无所不在的智慧」案例,还包括一种外观像药丸,其实是以异质整合技术制作的小型光学元件;卢超群表示,当病患吞下这种药丸,它就会扮演在人体内收集资料以及提供情报的微型电脑。生活智慧是另一个智慧技术能发挥的领域,他指出,AI也可以与食材融合,用来监测它们的「健康情况」。

此外还有「微生物群」(Microbiome),也就是所有生活在人体的微生物;卢超群再次为吹嘘自己儿子的研究抱歉,表示现在锁定人体微生物群的疗法正在迅速发展。卢冠达在一本题为《打造人类健康应用之微生物群》(Engineering the Microbiome for Human Health Applications)的共同着作书籍中就提到,微生物群疗法可能构建出「临床相关的生物感测器,实现能在人体中作用的强韧、有效之合成基因电路。」

虽然生物科学领域听起来很有趣,我们还是得打断卢超群,问他:那么半导体产业在这类「普适智慧」(pervasive intelligence)世界中的研发专案,能提供那些实质性的优势?

卢超群的回答是:「我们在运算领域学到的知识、专长与理论至关重要,而且可以转移到其他领域;他反问:「矽芯片技术教了我们什么?」他说,是教了我们如何把东西做得更小,而且以更快的速度计算资料。

芯片产业微缩制成的奥妙,现在可以用以打造人工智能、物联网以及生物应用的奈米级模组;卢超群看好产业界能够生产应用导向的HI奈米系统:「我们能借由最佳化物理学、材料、元件、电路/芯片、软体与系统来实现这个目标。」

异质整合蓝图即将揭晓

HIR委员会准备在今年7月的SEMICON West发表现有工作成果,委员会旗下的22个技术工作小组正各自为HIR技术文件撰写一个章节,以进行同侪审查、编辑与定稿,然后在会议上发表。HIR委员会共同主席Bill Bottoms表示,该技术文件将会在7月发表,并在SEMICON West之后不久上网。

拥有22个章节的HIR技术文件,将涵盖HI的市场应用、HI元件、设计(包括共同设计与模拟软体、工具与实作等),以及像是材料与诸如与SiP、3D+2.5D与WLP (扇入与扇出)等技术的互连、整合程序等交叉议题。

Bottoms指出,散热管理与安全性是两个后来补充的议题,HIR委员会的成员认为它们很重要,而且相关发现能让所有技术工作小组获益。他指出,散热管理小组是由来自Google的代表所领导;而他也再次强调HIR获得产业界领导厂商的大力支持:「很多Intel、Google与IBM的资深人士都是活跃成员。」

除了HIR,产业界还有两个组织在推动后ITRS技术蓝图,包括IEEE标准协会(Standards Association)支持、与重启运算计划(Rebooting Computing Initiative)相关的IRDS (International Technology Roadmap for Devices and Systems);还有ITRW (International Technology Roadmap for Wide Band-Gap Semiconductors),是IEEE电力电子学会(Power Electronics Society)所赞助。

并没有哪一个组织说自己比人家厉害,而且Bottoms强调:「这些蓝图从三个各自技术领域的有利位置看未来,他们能以各自协调的复杂性彼此互补,替电子产业的未来提供多维观点。」

从ITRS到HIR
(来源:Heterogeneous Integration Roadmap Working Group)

 

而这一切也衍生了一个问题:为何电子产业很爱制定「蓝图」?大家都被摩尔定律洗脑了吗?该定律也确实让产业界的每个人都以相同的曲调起舞,让产品与研发计划跟上脚步。Bottoms则认为,拥有蓝图甚至能让异质整合的潜力更充分发挥。

他在一份与HIR委员会共同主席、ASE院士William Chen共同撰写的技术论文中指出,技术蓝图能指导「专家、产业界、学术界与政府有足够的准备时间定义关键技术挑战,使得那些挑战不会成为电子技术进展过程以及在不同产业中扩展应用版图时的障碍;」他们的结论是:「我们的目标是激励研发创新与跨生态系统的合作,以期实现未来愿景的过程一路顺畅」