Chiplet和先進(jìn)封裝——后摩爾時(shí)代芯片演進(jìn)的全新道路

摩爾定律極限將至

隨著摩爾定律的飛速發(fā)展，芯片制程早已大步邁入了 10nm 以下，一路發(fā)展至 7nm、5nm，并觸達(dá)了現(xiàn)階段業(yè)界普遍認(rèn)為的物理極限——3nm。在進(jìn)入 10nm 的大關(guān)后，工藝迭代的速度已經(jīng)放緩，先進(jìn)工藝的高昂成本問題也令制造商和終端消費(fèi)者感到頭疼。

除了面臨先進(jìn)工藝的成本挑戰(zhàn)，在摩爾定律逼近極限的“后摩爾時(shí)代”，半導(dǎo)體行業(yè)也無法再繼續(xù)通過微縮晶體管來提升芯片性能，行業(yè)亟需新的技術(shù)路線來滿足對(duì)芯片性能日益增長(zhǎng)的需求，而這也正是 Chiplet 和先進(jìn)封裝的“用武”之處。

接下來，我們將通過闡述定義來進(jìn)一步揭開 Chiplet 和先進(jìn)封裝的奧秘，以內(nèi)存為例，為您解讀后摩爾時(shí)代的芯片發(fā)展趨勢(shì)。

Chiplet、UCIe 與異構(gòu)集成

Chiplet 一般指預(yù)制好的、具有特定功能的、可用來組合集成的晶片，也叫芯粒，其技術(shù)重點(diǎn)在于將不同的芯片連接在一起并進(jìn)行封裝。在這個(gè)過程中，芯片之間的連接由于異構(gòu)性、互操作性以及數(shù)據(jù)完整度等問題面臨著諸多挑戰(zhàn)。

因此，2022 年 3 月 ，英特爾、AMD、Arm、高通、三星、臺(tái)積電等科技巨頭聯(lián)合成立了 UCIe 產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，共同推出了開放的行業(yè)互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)，使芯片制造商能夠輕松地將不同類型的芯片集成到同一芯片系統(tǒng)中。

作為知名的內(nèi)存供應(yīng)商，華邦電子也在前不久加入了 UCIe 產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，與聯(lián)盟伙伴共同助力高性能 Chiplet 接口標(biāo)準(zhǔn)的推廣與普及。

如今大家爭(zhēng)相探討的異構(gòu)集成，全稱為異構(gòu)異質(zhì)集成，包含了異構(gòu)與異質(zhì)雙重含義。其中，制造商將如 3nm、5nm、7nm 甚至 28nm 和 45nm 等不同工藝制程、不同功能、不同制造商的 Chiplet 集成到一起，被稱作異構(gòu)集成。而為了設(shè)計(jì)出小尺寸、低成本、設(shè)計(jì)靈活、系統(tǒng)性能出色的芯片產(chǎn)品，制造商還會(huì)將諸如硅、氮化鎵、碳化硅、磷化銦等不同材質(zhì)的 Chiplet 集成在一起，這被稱作異質(zhì)集成。

UCIe 標(biāo)準(zhǔn)的建立為異構(gòu)芯片提供了高帶寬、低延遲、高電源效率和高性價(jià)比的封裝內(nèi)連接，從而滿足整個(gè)計(jì)算系統(tǒng)的需求。

Chiplet 與先進(jìn)封裝

現(xiàn)階段，業(yè)內(nèi)對(duì)先進(jìn)封裝的共識(shí)是 2.5D/3D 以及 WLCSP 晶圓級(jí)封裝，它們可在單位體積內(nèi)集成更多的功能單元，以內(nèi)存為例，先進(jìn)封裝可大幅增加內(nèi)存容量。同時(shí)，這些功能單元的互連更短、密度更高，進(jìn)一步提升合封后的芯片性能。

Chiplet 與先進(jìn)封裝是兩個(gè)不同的概念，但在某種程度上它們卻緊密相連——目前，行業(yè)內(nèi)大多數(shù)的 Chiplet 是通過先進(jìn)封裝技術(shù)將不同工藝制造的芯片進(jìn)行集成的。然而在采用 2.5D/3D 這樣的垂直堆疊方式集成 Chiplet 芯片時(shí)，將面臨幾大關(guān)鍵挑戰(zhàn)：

封裝技術(shù)

隨著業(yè)界對(duì)小型化的需求愈演愈烈，芯片必須保證在更小的封裝空間內(nèi)對(duì)更小尺寸的 Chiplet 芯片進(jìn)行封裝，因此對(duì)封裝技術(shù)的要求極高；

連接設(shè)計(jì)

芯片堆疊的順序、走線方式都會(huì)影響合封芯片的性能，因此需要最佳的設(shè)計(jì)方式來降低整體風(fēng)險(xiǎn)；

熱管理

將芯片堆疊在一起后，散熱問題更為嚴(yán)峻，高溫會(huì)影響芯片的性能與壽命，因此需要采取更尖端的散熱技術(shù)來避免高溫導(dǎo)致的性能下降甚至是封裝失效；

另一方面，合封后的系統(tǒng)級(jí)芯片性能與集成在其中的 Chiplet 芯片性能息息相關(guān)。因此必須采用具備如下特質(zhì)的裸片才能保證最終的芯片性能。

高度可靠

盡管在單個(gè) Chiplet 芯片良率高達(dá) 98% 的情況下，合封后的產(chǎn)品良率也會(huì)大幅下降，此外還可能會(huì)與其他芯片相互干擾，但提升裸片（die）的可靠性仍舊可在某種程度上提升合封芯片的可靠性；

散熱合理

合封后，每個(gè)裸片與外界進(jìn)行熱傳遞的面積急劇縮小，發(fā)熱量會(huì)進(jìn)一步提高，因此必須盡可能降低裸片本身的散熱，才能將合封芯片的發(fā)熱控制在合理范圍內(nèi)；

高溫穩(wěn)定

合封芯片的發(fā)熱遠(yuǎn)高于單一裸片的發(fā)熱量，為此，裸片需要具備較好的高溫下穩(wěn)定性，才能保證芯片性能在溫度升高的環(huán)境中不受損；

更低功耗

系統(tǒng)級(jí)芯片的功耗受 Chiplet 芯片的功耗影響極大，為滿足用得低功耗需求，需要進(jìn)一步降低裸片的自身功耗。

華邦的 KGD 和先進(jìn)封裝

KGD 產(chǎn)品

作為業(yè)界知名的 KGD 供應(yīng)商，華邦早在2008 年就已開始向客戶提供諸多優(yōu)質(zhì) KGD 產(chǎn)品，包括DDR、LPDDR、HYPERRAM、NOR Flash等，并可根據(jù)客戶的不同需求靈活定制，進(jìn)一步幫助客戶提升成本和空間效益。

其中，憑借獨(dú)到的性能優(yōu)勢(shì)，HYPERRAM 3.0 KGD 一經(jīng)推出就席卷市場(chǎng)并備受好評(píng)。HYPERRAM KGD 的引腳更少、體積更小、設(shè)計(jì)更為簡(jiǎn)潔，因此能夠更輕松地與客戶產(chǎn)品合封，同時(shí)得益于 HYPERRAM 的超低功耗，還可顯著降低合封后的發(fā)熱風(fēng)險(xiǎn)。

先進(jìn)封裝

在深耕 KGD 產(chǎn)品的同時(shí)，華邦還致力于先進(jìn)封裝技術(shù)的革新，采用TSV（Through Silicon Via）硅通孔技術(shù)進(jìn)一步提升 DRAM 的性能與容量。目前華邦已經(jīng)推出了全新的3D TSV DRAM（又名 CUBE） KGD 產(chǎn)品，兼具高帶寬與低功耗，能夠確保 2.5D/3D 多芯片封裝的能效，為客戶帶來優(yōu)質(zhì)的定制化內(nèi)存解決方案。

此外華邦的 3DCaaS 一站式服務(wù)平臺(tái)，在為客戶提供優(yōu)質(zhì) KGD 產(chǎn)品外，還將與合作伙伴共同為客戶帶來諸多工藝上的支持與產(chǎn)品技術(shù)咨詢，例如針對(duì)多芯片優(yōu)化的 2.5D、3D 后段工藝和 Silicon-Cap、interposer 技術(shù)等附加服務(wù)。

隨著新能源汽車、5G、可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域的不斷發(fā)展，對(duì)芯片性能的需求也越來越高。然而隨著后摩爾時(shí)代的到來，采用先進(jìn)封裝技術(shù)的 Chiplet 則成為了芯片微縮化進(jìn)程的“續(xù)命良藥”。除 UCIe 產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟外，眾多頭部制造商也在圍繞 3D 封裝建立全新的生態(tài)聯(lián)盟，從封裝角度為 Chiplet 的發(fā)展保駕護(hù)航。華邦也將竭誠(chéng)發(fā)揮自身在 KGD 產(chǎn)品和先進(jìn)封裝領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，為業(yè)界提供優(yōu)質(zhì)的定制化內(nèi)存解決方案，讓芯片在“長(zhǎng)高”的路上越走越遠(yuǎn)。

審核編輯 ：李倩