Chiplet 漸成主流，半導體行業(yè)應如何攜手迎挑戰、促發(fā)展？

作者：Ashley Huang，SEMI 臺灣高級市場(chǎng)專(zhuān)員

相比傳統的系統級芯片（SoC），Chiplet 能夠提供許多卓越的優(yōu)勢，如更高的性能、更低的功耗和更大的設計靈活性。因此，半導體行業(yè)正在構建一個(gè)全面的 Chiplet 生態(tài)系統，以充分利用這些優(yōu)勢。隨著(zhù)異構集成（HI）的發(fā)展迎來(lái)了巨大挑戰，行業(yè)各方攜手合作發(fā)揮 Chiplet 的潛力變得更加重要。前段時(shí)間，多位行業(yè)專(zhuān)家齊聚在一場(chǎng)由 SEMI 舉辦的活動(dòng)，深入探討了如何助力 Chiplet 生態(tài)克服發(fā)展的挑戰。

日月光集團企業(yè)研發(fā)中心副總裁洪志斌（C.P. Hung）表示：“從更宏觀(guān)的角度看，半導體的發(fā)展實(shí)際上就是去追求高效地完成系統集成。系統集成可以分為兩種類(lèi)型的異構集成——包括同質(zhì)集成和異構集成。在深入研究異構集成技術(shù)的同時(shí)，我們必須繼續加強和促進(jìn)產(chǎn)業(yè)鏈成員之間的合作，以克服發(fā)展道路上可能出現的各種挑戰?！?/p>

Chiplet 發(fā)展勢頭強勁

TechSearch 是專(zhuān)門(mén)研究微電子封裝和組裝技術(shù)趨勢的市場(chǎng)研究領(lǐng)導者，其總裁 Jan Vardaman 指出，IC 設計師認為使用 Chiplet 可以更容易、更靈活地制造他們想要的芯片。通過(guò)使用最具成本效益的工藝，Chiplet 還可以生產(chǎn)不同的功能電路，以降低芯片制造成本，而不必依賴(lài)最先進(jìn)的技術(shù)。

隨著(zhù) Chiplet 能夠實(shí)現更大的靈活性和更優(yōu)的成本結構，更多基于 Chiplet 的設備已經(jīng)在市場(chǎng)上涌現。然而，因為這些產(chǎn)品是由不同的制造商獨立開(kāi)發(fā)的，所以 Chiplet 的產(chǎn)品之間通常不具有互操作性和兼容性，導致 Chiplet 的生態(tài)零散化、碎片化。因此，UCIe 標準的推出正是為了突破以上壁壘，這也是 Chiplet 發(fā)展歷程中一個(gè)關(guān)鍵的里程碑。

AMD 公司高級封裝部門(mén)企業(yè)副總裁 Raja Swaminathan 認為，市場(chǎng)需求是推動(dòng)半導體行業(yè)向異構集成轉型的關(guān)鍵因素。高性能計算（HPC）市場(chǎng)對處理器性能提出了更高的需求，而這已經(jīng)不能單憑制程微縮來(lái)滿(mǎn)足這種需求。作為處理器供應商，AMD 必須找到新的方法來(lái)滿(mǎn)足客戶(hù)的需求，Chiplet 就是最有效的解決方案之一。Chiplet 助力 AMD 克服成本和規模挑戰，推出了能夠更好地滿(mǎn)足市場(chǎng)需求的產(chǎn)品。

異構集成路線(xiàn)圖（HIR）倡議主席兼日月光集團研究員 William Chen 表示：“如何將行業(yè)研究成果轉移到教育系統是進(jìn)一步促進(jìn) Chiplet 生態(tài)發(fā)展的關(guān)鍵。從設計方法到技術(shù)，這一切都掌握在從業(yè)人員手中，身處在行業(yè)當中的人更加關(guān)注 Chiplet。然而，學(xué)校里學(xué)習 Chiplet 設計的學(xué)生很少。我們都很清楚人才對半導體發(fā)展的重要性。只有將 Chiplet 帶給更多的學(xué)生，未來(lái)我們才能看到更多基于 Chiplet 的技術(shù)?！?/p>

Cadence 研發(fā)部門(mén)副總裁 Don Chan 表示，Chiplet 推動(dòng)了 IC 設計領(lǐng)域的范式轉變。通過(guò)將 SoC 的各種芯片功能分解成 Chiplet，并通過(guò)先進(jìn)封裝將它們組裝成單個(gè)器件，IC 設計人員找到了一條無(wú)需考慮功耗、性能、面積（PPA）的新途徑——而 PPA 正是設計師們一直試圖在工藝技術(shù)中實(shí)現平衡的三大主要目標。然而，這一趨勢也帶來(lái)了新的挑戰，例如如何拆分最初集成在 SoC 中的功能并設計 Chiplet 互連架構 Plet，以及如何克服芯片堆疊帶來(lái)的散熱挑戰，這些都是最難解決的問(wèn)題。需要通過(guò)發(fā)展設計工藝、方法和工具以克服上述挑戰。

聯(lián)發(fā)科制造運營(yíng)和供應鏈管理副總裁高學(xué)武（HW Kao）表示：“對于 IC 設計師而言，Chiplet 最有趣和最有價(jià)值的地方在于，它們將 IC 設計變成了“混合雞尾酒”。人們可以通過(guò)混合不同的材料來(lái)創(chuàng )造獨特的產(chǎn)品。裸片分割（Die Partitioning），即將客戶(hù)期望實(shí)現的功能劃分到多個(gè)芯片中，已成為唯一的出路?！?/p>

在實(shí)踐中，聯(lián)發(fā)科發(fā)現裸片分割有助于降低成本，還有一些功能可以通過(guò)更成熟、更具成本效益的制造工藝來(lái)實(shí)現。單個(gè)芯片的面積越小，實(shí)現更高良率的可能性就越大。

散熱：浸沒(méi)式冷卻蘊藏巨大潛力

先進(jìn)封裝使 Chiplet 成為可能，而 Chiplet 正在推動(dòng)著(zhù)半導體制造領(lǐng)域的一場(chǎng)重要技術(shù)浪潮。設備過(guò)熱問(wèn)題（長(cháng)期以來(lái)的重大挑戰），只會(huì )隨著(zhù)封裝技術(shù)的進(jìn)步變得更加復雜。

緯穎科技公司總裁張順來(lái)（Sunlai Chang）表示，上下游產(chǎn)業(yè)鏈需要共同努力，以更有效的方式改善散熱問(wèn)題。緯穎科技近年來(lái)一直在開(kāi)發(fā)浸沒(méi)式冷卻解決方案，因為芯片產(chǎn)生的熱量不再能夠通過(guò)風(fēng)扇單獨去除，液體冷卻技術(shù)也接近極限。張順來(lái)表示，將整個(gè)主板與電子元件冷卻劑一起浸沒(méi)將是未來(lái)的散熱方式。

“目前用于半導體器件的封裝技術(shù)尚未針對浸沒(méi)式冷卻進(jìn)行優(yōu)化設計?！睆堩榿?lái)表示，他期待與封裝行業(yè)的伙伴公司合作開(kāi)發(fā)新解決方案。

共封裝光學(xué)（CPO）將成為優(yōu)化能耗的關(guān)鍵

思科系統技術(shù)和質(zhì)量部門(mén)副總裁薛捷認為，由于負責數據傳輸的 I/O 單元也是一個(gè)重要的散熱來(lái)源，因此持續提升計算性能、增加 I/O 帶寬，以及降低 I/O 能耗將變得更具挑戰性。薛捷表示：“互聯(lián)網(wǎng)數據量的增長(cháng)沒(méi)有上限，而對網(wǎng)通芯片的 I/O 帶寬要求也越來(lái)越高。但事實(shí)上，傳統的傳輸介質(zhì)不再能夠以可接受的能耗水平承載如此大量的數據。由共封裝光學(xué)（CPO），如硅光，支持的網(wǎng)通 ASIC 芯片正在成為主要趨勢?！?/p>

共封裝光學(xué)是一種典型的異構集成，它通過(guò)先進(jìn)的封裝技術(shù)集成了使用 CMOS 工藝的邏輯單元和用特殊工藝制成的光學(xué)元件，使芯片開(kāi)發(fā)者不僅可以獲得更大的通信帶寬，還能夠大幅降低數據的傳輸能耗。

臺積電講解最新的 CoWoS 解決方案

全球最大的半導體芯片代工廠(chǎng)臺積電分享了其 CoWoS（Chip-On-Wafer-On-Substrate）技術(shù)的最新發(fā)展。臺積電 APTS/NTM 部門(mén)總監 Shin-Puu Jeng 表示，臺積電幾年前就開(kāi)始研發(fā) CoWoS 先進(jìn)封裝技術(shù)，以滿(mǎn)足 HPC 客戶(hù)的需求，目前臺積電已能夠提供 CoWoS 產(chǎn)品系列。

Jeng 表示臺積電的 CoWoS 客戶(hù)有不同的需求。有的客戶(hù)看重性能，有的客戶(hù)想要高密度線(xiàn)路或更高的成本效益。例如，最初使用硅轉接板的 CoWoS，后來(lái)升級為擁有更佳響應速度、由低阻抗線(xiàn)路帶來(lái)更低能耗的 CoWoS-R，這個(gè)過(guò)程用有機轉接板取代了硅轉接板。通過(guò)裝配去耦電容無(wú)源元件，芯片的集成度可再創(chuàng )新高，這也使得 CoWoS-R 成為高能耗系統集成的理想選擇。

設備和材料廠(chǎng)商專(zhuān)注于混合鍵合，并推出多種解決方案

混合鍵合是一個(gè)特別熱門(mén)的話(huà)題，幾乎所有先進(jìn)封裝廠(chǎng)商都在利用該工藝來(lái)盡可能縮小片內互連和鍵合，以滿(mǎn)足先進(jìn)封裝中互連密度的極致要求。雖然今天在大規模生產(chǎn)中可以使用混合鍵合，但仍有許多技術(shù)問(wèn)題需要解決。

解決混合鍵合技術(shù)帶來(lái)的挑戰將擁有廣闊市場(chǎng)機遇，提供解決方案的開(kāi)發(fā)者也會(huì )因此獲益匪淺。身處半導體制造行業(yè)不同環(huán)節的解決方案和服務(wù)提供商（涵蓋從設備、材料、測試到測量等領(lǐng)域）都提出了新穎有趣的混合鍵合工藝解決方案。

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