日前，臺積電在美國舉辦的開放創(chuàng)新平臺論壇上，與ARM公司共同發(fā)布了業(yè)界首款采用CoWoS封裝并獲得硅晶驗(yàn)證的7納米芯粒(Chiplet)系統(tǒng)。不同于以往SoC芯片將不同內(nèi)核整合到同一芯片上的作法，臺積電此次發(fā)布的芯粒系統(tǒng)由兩個7納米工藝的小芯片組成，每個小芯片又包含了4個Cortex- A72處理器，兩顆小芯片間通過CoWoS中介層整合互連。
隨著半導(dǎo)體技術(shù)不斷發(fā)展，制造工藝已經(jīng)達(dá)到7nm，依靠縮小線寬的辦法已經(jīng)無法同時滿足性能、功耗、面積以及信號傳輸速度等多方面的要求。在此情況下，越來越多的半導(dǎo)體廠商開始把注意力放在系統(tǒng)集成層面。而芯粒正是在這一背景下發(fā)展形成的一種解決方案。其依托快速發(fā)展的先進(jìn)封裝技術(shù)，可將不同類型、不同工藝的芯片集成在一起，在實(shí)現(xiàn)高效能運(yùn)算的同時，又具備靈活性、更佳良率、及更低成本等優(yōu)勢。
何為芯粒?
近年來，芯粒逐漸成為半導(dǎo)體業(yè)界的熱詞之一。它被認(rèn)為是一種可以延緩摩爾定律失效、放緩工藝進(jìn)程時間、支撐半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)繼續(xù)發(fā)展的有效方案。
根據(jù)半導(dǎo)體專家莫大康介紹，芯粒技術(shù)就是像搭積木一樣，把一些預(yù)先生產(chǎn)好的，能實(shí)現(xiàn)特定功能的芯片裸片通過先進(jìn)的封裝技術(shù)集成在一起，形成一個系統(tǒng)芯片。而這些基本的裸片就是芯粒。從這個意義上來說，芯粒又是一種新形式的IP復(fù)用。將以往集成于SoC中的軟IP，固化成為芯粒，再進(jìn)行靈活的復(fù)用、整合與集成。未來，以芯粒模式集成的芯片會是一個“超級”異構(gòu)系統(tǒng)，為IC產(chǎn)業(yè)帶來更多的靈活性和新的機(jī)會。
日前，中國工程院院士許居衍在發(fā)表題為《復(fù)歸于道：封裝改道芯片業(yè)》的報告時曾指出，后摩爾時代單片同質(zhì)集成向三維多片異構(gòu)封裝集成技術(shù)“改道”是重要趨勢，因?yàn)槿S多片異構(gòu)封裝可以提供更高的帶寬、更低的功率、更低的成本和更靈活的形狀因子。許居衍院士還表示，芯粒的搭積木模式集工藝選擇、架構(gòu)設(shè)計、商業(yè)模式三大靈活性于一體，有助力活躍創(chuàng)新，可以推動微系統(tǒng)的發(fā)展、推進(jìn)芯片架構(gòu)創(chuàng)新、加快系統(tǒng)架構(gòu)創(chuàng)新、加速DSA/DSL發(fā)展、推動可重構(gòu)計算的發(fā)展和軟件定義系統(tǒng)發(fā)展。
大廠重視
由于芯粒技術(shù)在延續(xù)摩爾定律中可以發(fā)展重要作用，因而受到了半導(dǎo)體大廠的高度重視。臺積電在今年6月份舉辦的2019中國技術(shù)論壇(TSMC2019 Technology Symposium)上，便集中展示了CoWoS、InFO、SoIC等多項(xiàng)先進(jìn)封裝技術(shù)。先進(jìn)封裝正是芯粒技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。在7月初于日本京都舉辦的超大規(guī)模集成電路研討會 (VLSI Symposium)期間，臺積電展示了自行設(shè)計的芯粒(chiplet)系列“This”。
而在9月底舉辦的“開放創(chuàng)新平臺論壇”上，臺積電與ARM公司共同發(fā)布了業(yè)界首款采用CoWoS封裝的7納米芯粒系統(tǒng)。臺積電技術(shù)發(fā)展副總經(jīng)理侯永清表示，臺積電的CoWoS先進(jìn)封裝技術(shù)及LIPINCON互連界面能協(xié)助客戶將大尺寸的多核心設(shè)計分散到較小的小芯片組，以提供更優(yōu)異良率與經(jīng)濟(jì)效益。
英特爾針對摩爾定律的未來發(fā)展，提出了“超異構(gòu)計算”概念。這在一定程度上可以理解為通過先進(jìn)封裝技術(shù)實(shí)現(xiàn)的模塊級系統(tǒng)集成，即通過先進(jìn)封裝技術(shù)將多個芯粒裝配到一個封裝模塊當(dāng)中。在去年年底舉辦的“架構(gòu)日”上，英特爾首次推出Foveros 3D封裝技術(shù)。在7月份召開的SEMICON West大會上，英特爾再次推出一項(xiàng)新的封裝技術(shù)Co-EMIB，能夠讓兩個或多個Foveros元件互連，并且基本達(dá)到單芯片的性能水準(zhǔn)。
英特爾中國研究院院長宋繼強(qiáng)表示，英特爾在制程、架構(gòu)、內(nèi)存、互連、安全、軟件等諸多層面均具有領(lǐng)先優(yōu)勢，通過先進(jìn)封裝集成到系統(tǒng)中，使高速的互連技術(shù)進(jìn)行超大規(guī)模部署，提供統(tǒng)一的軟件開發(fā)接口以及安全功能。
國內(nèi)在系統(tǒng)集成方面也取得了不錯的成績。根據(jù)芯思想研究院主筆趙元闖的介紹，長電科技是中國營收規(guī)模最大的封裝公司，在先進(jìn)封裝技術(shù)和規(guī)模化量產(chǎn)能力中保持領(lǐng)先，在eWLB、FO、WLCSP、BUMP、ECP、PoP、SiP、PiP等封裝技術(shù)已有多年的經(jīng)驗(yàn)與核心專利的保護(hù)，對于芯粒技術(shù)的發(fā)展已奠定了應(yīng)對基礎(chǔ)。
華進(jìn)半導(dǎo)體成功開發(fā)小孔徑TSV工藝，進(jìn)而研發(fā)成功轉(zhuǎn)接板成套工藝，并且可基于中道成熟工藝實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)多顆不同結(jié)構(gòu)或不同功能的芯片系統(tǒng)集成。華天科技開發(fā)成功埋入硅基板扇出型3D封裝技術(shù)，該技術(shù)利用TSV作為垂直互聯(lián)，可以進(jìn)行異質(zhì)芯片三維集成，互連密度可以大大高于目前的臺積電InFO技術(shù)。工藝已經(jīng)開發(fā)完成，與國際客戶進(jìn)行的產(chǎn)品開發(fā)進(jìn)展順利。通富微電擁有wafer level先進(jìn)封裝技術(shù)平臺，也擁有wire bond + FC的hybrid封裝技術(shù)，還成功開發(fā)了chip to wafer、Fan-out WLP、Fan-out wafer bumping技術(shù)。
挑戰(zhàn)仍存
從本質(zhì)上講，芯粒技術(shù)是一種硅片級別的“復(fù)用”。設(shè)計一顆系統(tǒng)級芯片，以前的做法是從不同的IP供應(yīng)商購買一些IP、軟核(代碼)或者硬核(版圖)，再結(jié)合自研的模塊，集成為一顆芯片，然后在某個芯片工藝節(jié)點(diǎn)上完成芯片設(shè)計和生產(chǎn)的完整流程。未來，某些IP芯片公司可能就不需要自己做設(shè)計和生產(chǎn)了，只需要購買別人己經(jīng)做好的芯粒，然后再在一個封裝模塊中集成起來。從這個意義上講，芯粒也是一種IP，但它是以硅片的形式提供，而不是之前以軟件的形式出現(xiàn)。
但是，作為一種創(chuàng)新，芯粒這種發(fā)展模式現(xiàn)在仍然存在許多挑戰(zhàn)。許居衍院士在報告中強(qiáng)調(diào)，芯粒模式成功的關(guān)鍵在于芯粒的標(biāo)準(zhǔn)或者說是接口。目前芯粒的組裝或封裝尚缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。目前各大玩家都有自己的方案，盡管各家的名稱不同，但歸總離不開硅通孔、硅橋和高密度FO技術(shù)，不管是裸片堆疊還是大面積拼接，都需要將互連線變得更短，要求互連線做到100%的無缺陷，否則整個芯片將無法工作。
其次，芯粒的質(zhì)量也十分關(guān)鍵。相對于以往的軟IP形式，芯粒則是經(jīng)過硅驗(yàn)證的裸芯片。如果其中的一顆裸芯片出現(xiàn)問題，整個系統(tǒng)都會受影響。因此要保證芯粒100%無故障。第三，散熱問題也十分重要。幾個甚至數(shù)十個裸芯片被封裝在一個有限的空間當(dāng)中，互連線又非常短，這讓散熱問題變得更為棘手。
此外，作為一種新興技術(shù)以及一種新的產(chǎn)業(yè)模式，它的發(fā)展對原有產(chǎn)業(yè)鏈如EDA工具提供商、封測提供商也會帶來一定影響。中芯國際聯(lián)合首席執(zhí)行官趙海軍演講中指出，因?yàn)椴煌男玖Ｐ枰獏f(xié)同設(shè)計，從而為封裝代工公司提供了機(jī)會，未來封裝代工公司可以提供更多的公用IP來支撐芯粒模式。
中芯長電CEO崔東則表示，所謂芯粒，仍是屬于異質(zhì)集成封裝，或3DIC的大范疇，產(chǎn)品成功與否具體還是要從其實(shí)現(xiàn)集成的工藝手段和應(yīng)用來分析，才能看出高下來。這對傳統(tǒng)封測廠應(yīng)該是有巨大沖擊和挑戰(zhàn)。
總之，芯粒是摩爾定律演進(jìn)中出現(xiàn)的一種新的技術(shù)與產(chǎn)業(yè)模式，它的發(fā)展將為相關(guān)企業(yè)帶來新的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。對企業(yè)來說，就看如何能抓住這樣的發(fā)展機(jī)會了。