后摩爾定律時(shí)代，提升集成芯片系統(tǒng)化能力的有效途徑有哪些？

電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/吳子鵬）當(dāng)前，終端市場(chǎng)需求呈現(xiàn)多元化、智能化的發(fā)展趨勢(shì)，芯片制造則已經(jīng)進(jìn)入后摩爾定律時(shí)代，這就導(dǎo)致先進(jìn)的工藝制程雖仍然是芯片性能提升的重要手段，但效果已經(jīng)不如從前，先進(jìn)封裝得到了業(yè)界的廣泛重視。

日前，由博聞創(chuàng)意會(huì)展主辦的第八屆中國(guó)系統(tǒng)級(jí)封裝大會(huì)SiP Conference China2024·蘇州站成功召開，大會(huì)演講主要圍繞 “AI/大算力應(yīng)用”“存儲(chǔ)/高速互連應(yīng)用”“新工藝及材料”三大主題。通過(guò)嘉賓的分享可以明顯感受到，在后摩爾定律時(shí)代，AI大算力應(yīng)用對(duì)芯片發(fā)展有著積極的帶動(dòng)作用，為了打造更強(qiáng)的高性能計(jì)算芯片，產(chǎn)業(yè)界從EDA、制造、封裝、存儲(chǔ)等多角度入手，全面推動(dòng)集成芯片系統(tǒng)化發(fā)展。下面，我們來(lái)分享幾個(gè)來(lái)自SiP Conference China2024·蘇州站的解決方案，幫助大家捕捉技術(shù)發(fā)展的最前沿。

系統(tǒng)級(jí)創(chuàng)新打破“四力”挑戰(zhàn)

在大會(huì)致辭環(huán)節(jié)，中國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì)副秘書長(zhǎng)兼封測(cè)分會(huì)秘書長(zhǎng)徐冬梅表示，隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，半導(dǎo)體行業(yè)迎來(lái)了前所未有的變革，特別是在后摩爾定律時(shí)代，異構(gòu)集成和先進(jìn)封裝技術(shù)已經(jīng)成為行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵推動(dòng)力。這些創(chuàng)新技術(shù)不僅能夠滿足高性能計(jì)算、人工智能（AI）、自動(dòng)駕駛等新興領(lǐng)域?qū)π酒阅艿臉O致追求，更為整個(gè)芯片產(chǎn)業(yè)鏈帶來(lái)了更加廣闊的市場(chǎng)空間。

談到產(chǎn)業(yè)變革，芯和半導(dǎo)體副總裁倉(cāng)巍談到了當(dāng)前AI快速發(fā)展給半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)帶來(lái)的一些具體挑戰(zhàn)，主要是“四力”——算力、存力、運(yùn)力和電力。可以簡(jiǎn)單理解為，目前GPU等計(jì)算芯片的算力發(fā)展跟不上AI對(duì)于算力的需求，然而內(nèi)存帶寬、I/O傳輸能力、總線傳輸能力也在限制算力的輸出。此外，高性能計(jì)算芯片和大規(guī)模數(shù)據(jù)中心/智算中心消耗了巨量的電能，對(duì)電力系統(tǒng)提出了非常高的要求。

對(duì)于倉(cāng)巍談到的“四力”，產(chǎn)業(yè)界定然很有感觸，因?yàn)樗鼈兘?jīng)常被稱為“四道墻”。為了突破這“四道墻”的限制，產(chǎn)業(yè)界進(jìn)行了非常多的創(chuàng)新，比較典型的創(chuàng)新成果是英偉達(dá)公司Blackwell GB200 GPU，擁有2080億個(gè)晶體管，可提供高達(dá)20petaflops的FP4算力。在實(shí)現(xiàn)上，GB200將兩個(gè)B200和一個(gè)Grace CPU進(jìn)行配對(duì)，再通過(guò)NVLink連接在一起。和H100相比，GB200的性能是其7倍，訓(xùn)練速度是其4倍，且能耗更低。

倉(cāng)巍認(rèn)為，英偉達(dá)Blackwell GB200 GPU代表著芯片公司向系統(tǒng)發(fā)展的大趨勢(shì)，也證明集成芯片系統(tǒng)級(jí)創(chuàng)新是引領(lǐng)半導(dǎo)體行業(yè)克服“四力”挑戰(zhàn)的主要途徑。為了實(shí)現(xiàn)集成芯片系統(tǒng)級(jí)創(chuàng)新，高頻高速互聯(lián)技術(shù)、Chiplet異構(gòu)集成以及配套EDA工具和先進(jìn)封裝技術(shù)將成為后續(xù)芯片行業(yè)發(fā)展的主要技術(shù)趨勢(shì)。芯和半導(dǎo)體在此過(guò)程中，能夠提供端到端的多物理場(chǎng)仿真EDA，賦能AI硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

先進(jìn)封裝的技術(shù)探索

根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研機(jī)構(gòu)TrendForce的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，預(yù)計(jì)2025年英偉達(dá)Blackwell GB200 GPU的出貨量將超過(guò)100萬(wàn)顆，占英偉達(dá)高端GPU芯片業(yè)務(wù)的四成。Blackwell GB200 GPU的成功也表明，基于臺(tái)積電CoWoS-S、CoWoS-L或CoWoS-R等先進(jìn)封裝技術(shù)構(gòu)建系統(tǒng)級(jí)封裝（SiP），是提升高性能計(jì)算芯片性能的有效途徑。

臺(tái)積電CoWoS-S、CoWoS-L和CoWoS-R代表著三種不同的技術(shù)類型，分別是硅中介層（Silicon Interposer）、重新布線層中介層（RDL Interposer）和結(jié)合局部硅互連和RDL中介層（Local Silicon Interconnect and RDL Interposer）。其中，硅中介層優(yōu)勢(shì)在于其精密的制造工藝和優(yōu)越的電性能，但價(jià)格昂貴；重新布線層中介層主要用于降低成本和適應(yīng)不同類型的器件連接需求；結(jié)合局部硅互連和RDL中介層則是利用上述兩者的優(yōu)點(diǎn)以實(shí)現(xiàn)更高效的封裝和連接。

翊杰科技股份有限公司執(zhí)行長(zhǎng)兼總經(jīng)理蘇進(jìn)成指出，自CoWoS問(wèn)世以來(lái)，通過(guò)在緊湊的平面并排集成多個(gè)芯片，與傳統(tǒng)的多芯片模塊（MCM）相比提供了更高的集成度，為了能夠排列更多的芯片、容納更多的晶體管從而提高系統(tǒng)性能，中介層面積需要不斷擴(kuò)大。通過(guò)掩模光刻拼接技術(shù)，臺(tái)積電CoWoS-S目前將硅中介層面積擴(kuò)展到相當(dāng)于三個(gè)完整掩模尺寸，最多能夠?qū)崿F(xiàn)3個(gè)SOC/芯片和8個(gè)HBM共封。

蘇進(jìn)成認(rèn)為，在打造高性能AI計(jì)算芯片方面，HBM的重要性也是不容忽視的，是突破“存儲(chǔ)墻”的有效手段。HBM為High Bandwidth Memory的縮寫，即高帶寬內(nèi)存，可提供高速、高帶寬的內(nèi)存訪問(wèn)。同時(shí)，HBM采用微凸塊和TSV技術(shù)，存儲(chǔ)和算力芯片信號(hào)傳輸路徑短，單引腳I/O速率較低，使HBM具備更好的內(nèi)存能效特性。

當(dāng)然，通過(guò)先進(jìn)封裝實(shí)現(xiàn)SiP封裝，技術(shù)路線并不局限于臺(tái)積電的CoWoS，比如臺(tái)積電關(guān)注的FOPLP（扇出型面板級(jí)封裝）技術(shù)未來(lái)潛力也非常大。FOPLP與扇出型晶圓級(jí)封裝（FOWLP）不同之處在于，F(xiàn)OPLP用較大的面板代替了晶圓，使用的材料、設(shè)備以及產(chǎn)品的線寬線距等存在差別。一般而言，F(xiàn)OPLP在同一工藝流程中能夠生產(chǎn)出更多的單個(gè)封裝體，在同樣面積的基板上能擺放更多的芯片，因而FOPLP具有更好的材料利用率和更低成本。

目前，F(xiàn)OPLP主要用于I/O密度低和粗線寬/線距的低端或中端應(yīng)用，F(xiàn)OWLP主要用于 I/O密度高和細(xì)線寬/線距的高端應(yīng)用。不過(guò)，奕成科技 VP & CTO方立志認(rèn)為，現(xiàn)在做中低端的FOPLP就是一片紅海，做高端的FOPLP則擁有巨大的市場(chǎng)空間，是打造AI計(jì)算方案的可選路徑之一。尤其是在臺(tái)積電入局之后，高端FOPLP大有可為。

當(dāng)然，方立志強(qiáng)調(diào)，F(xiàn)OPLP在高端應(yīng)用中和FOWLP競(jìng)爭(zhēng)的重點(diǎn)在于，工藝技術(shù)能力要和FOWLP相同，這樣才有競(jìng)爭(zhēng)力。

不過(guò)，目前發(fā)展高端FOPLP還有非常多的挑戰(zhàn)，包括芯片位移、翹曲、細(xì)線路和細(xì)間距等。在翹曲方面，由于大型面板的熱膨脹系數(shù)（CTE）差異顯著，翹曲問(wèn)題會(huì)導(dǎo)致工藝良率下降，高端AI方案的器件都非常貴，良率低是客戶無(wú)法接受的。

對(duì)于未來(lái)發(fā)展，方立志認(rèn)為，板級(jí)封裝比晶圓級(jí)封裝更有前景，呼吁更多的業(yè)者參與其中。根據(jù)奕成科技官網(wǎng)新聞，2023年12月，奕成科技高端板級(jí)系統(tǒng)級(jí)封裝項(xiàng)目順利實(shí)現(xiàn)首款產(chǎn)品量產(chǎn)交付，進(jìn)入產(chǎn)能爬坡的關(guān)鍵階段。

結(jié)語(yǔ)

不難看出，面對(duì)終端領(lǐng)域的高性能、多元化、智能化的需求，系統(tǒng)級(jí)創(chuàng)新已經(jīng)成為關(guān)鍵手段，當(dāng)前晶圓級(jí)封裝由于在高端市場(chǎng)的技術(shù)領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，牢牢把控著市場(chǎng)，英偉達(dá)Blackwell GB200 GPU的成功也說(shuō)明了這一點(diǎn)。不過(guò)，通過(guò)怎樣的先進(jìn)封裝技術(shù)實(shí)現(xiàn)SiP封裝，技術(shù)路線并不是固定的，F(xiàn)OPLP后續(xù)的潛力是巨大的。當(dāng)然要想打造更好的系統(tǒng)，EDA工具、存儲(chǔ)、高帶寬技術(shù)和材料技術(shù)也要跟上，SiP Conference China2024·蘇州站也有非常多的嘉賓談到了這些方面的創(chuàng)新。