复归于道——封装改道芯片业

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2024年6月25日发(作者：)

第19

卷

卷第10

期

期

第19袁第10

Vol.19袁No.10

电子与封装

ELECTRONICS&PACKAGING

总第198期

2019年10月

10.16257/.1681-1070.2019.1001

复归于道要要要封装改道芯片业

许居衍

渊中国电子科技集团公司第五十八研究所袁江苏无锡214072冤

1前言

野历史事件犹如枝上嫩芽袁总在它要长出的地方

露头袁结出果子遥冶

2003年袁x86CPU升级到64位袁由于登纳德等效

缩放渊DennardEquivalentScaling冤失灵袁时钟频率止步

于4GHz遥为降低功耗尧提高算力袁处理器分别于

2006尧2010年进入了多核和异构计算时代袁从而为异

构封装打通了增长的快车道遥2016年发生了两起不同

而又相关的事件院以摩尔定律渊Moore爷sLaw冤为指导

的野国际半导体技术路线图渊InternationalTechnology

RoadmapforSemiconductors袁简称ITRS冤冶袁在IEEE

野重启计算倡议冶的协同下袁更换为野国际器件与系统路

线图渊InternationalRoadmapforDevicesandSystems袁

简称IRDS冤冶袁权威刊物Nature指出野半导体行业将很

快放弃摩尔定律冶曰与此同时袁苹果iPhone7上搭载集

成多核CPU和多个GPU的A10处理器袁采用了台积

电渊TSMC冤的集成扇出渊InFO冤先进封装技术遥而就在

这一年袁晶圆级封装技术渊WLP冤在经过多年平缓增长

后猛增一倍袁从2015年的244亿美元增加到500亿美

元袁并从此高速增长遥

这些事件表明袁提出多年的野拓展摩尔冶渊More

thanMoore冤终于在野后摩尔时代冶迎来了高潮遥异构/异

质集成激发了多芯片封装渊MCP冤/多芯片模组渊MCM冤

的发展袁有望在当前芯片产业基础上催生新的产业生

态系统和新的商业模式遥

2摩尔时代袁单片集成驱动SoC辉煌过后

面临问题

1965年袁戈登窑摩尔渊GordonMoore冤以野把更多元

收稿日期院2019-09-21

件塞进集成电路里冶为题袁发表在Electronics上的这句

话袁一直被半导体界奉为圭臬遥晶体管越做越小尧功能

越加越多尧规模越来越大袁如图1所示遥

图1单片集成哲学

SoC渊系统级芯片冤是半导体技术发展历程中的一

个重大里程碑袁它在提高产品性能尧增加产品功能和

可靠性的同时袁还大幅缩短了产品开发周期尧降低了

开发成本曰更为重要的是袁SoC不仅仅是一个软件和硬

件的集成子系统袁而且还是一个技术平台袁极大地改

观了传统的电子信息系统遥

但是袁野物极必反冶袁将更多元件塞进集成电路带来

周期长渊18~36个月冤尧投入大尧风险高尧面积大尧复杂度

高尧仿真与验证耗时长袁以及重复性渊芯片大都有PCIe

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第19卷第10期

电子与封装

DDR接口冤和多资源要求渊SoC团队无缝协同冤等问

题袁使得制程进一步微缩所需要的研发经费呈指数级

增长袁制造工艺所要求的高端掩模的价格急剧攀升袁

极端复杂的集成度不仅需要庞大的SoC团队无缝协

同袁还进一步拉低了芯片良率袁盈利风险愈发明显遥总

之袁经典的2D缩放已经野耗尽冶了现有的技术资源袁需

要另找出路袁如图2所示遥

图2SoC的成就与当前风险

3后摩尔时代袁多片集成尧芯粒模式或将驱

动未来

野装置之道冶在于野又好又便宜冶袁如图3所示遥过

去袁单片集成讲的是PPA渊性能尧功耗尧面积冤袁强调的

是面积袁而电子系统的基本要求是使用最经济的资

源袁实现最理想的功能遥这包括内架构与外环境的优

化尧高性能与低功耗的兼顾尧小体积与长寿命的融合遥

而无休止地追求单片集成袁尤其在摩尔定律日薄西山

的后摩尔时代袁工艺节点的进一步缩小袁并不能带来

集成元件成本和集成芯片性能翻番的好处曰特别是对

于需要靠近计算元件的高带宽存储渊HBM冤尧需要不同

且最佳工艺节点的非数字尧非硅的模拟尧传感和光电

子的功能模块则更是无能为力遥而后者恰恰是多片堆

叠的异构封装的长处袁它不仅可以提高性能袁而且还

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能降低成本尧提高成品率遥

图3单片集成偏离野装置之道冶

2016年是一个颇有意思的年份袁在IRDS替代

ITRS的同时袁WLP进入市场转折点渊据Yole

D佴veloppement报告冤袁迎来了3D异构/异质封装的规

模化商用遥特别是人工智能渊异构尧类脑芯片冤尧5G

渊GaN器件冤尧IoT渊传感器冤等应用的发展袁大大推动了

野拓展摩尔冶在后摩尔时代的主角作用遥在这种趋势

下袁一些大型芯片制造商正在开始转向野分割冶原来野塞

进冶复杂SoC中的某些模块袁如SerDes尧PA尧存储单元

等等袁逐个做成裸管芯袁然后再通过先进封装组装成

产品遥2015年袁Marvell提出以MoChi

TM

为商标命名的

模块化芯片概念袁并以智能手机和笔记本电脑处理器

为例袁推出两款采用MoChi

TM

方法的验证产品袁如图4

所示遥

2017年袁美国国防部高级研究计划局渊DARPA冤

在电子复兴计划渊ERI冤中启动了名为野通用异构集成

及知识产权复用策略渊CHIPS冤冶的项目袁旨在打造离散

的尧适当节点制造的多样化芯粒渊Chiplet冤生态系统袁开

发模块化芯片并将之渊和其他异质元件冤组装成更大

系统渊模块冤的设计工具尧集成标准和IP块曰参与单位

包括大型微电子公司渊英特尔尧美光等冤尧半导体设计

公司渊Cadence尧Synopsys等冤尧大型防务公司渊洛克希

德窑马丁尧波音等冤尧大学渊密歇根大学等冤遥DARPA的

这一举动得到了多方响应遥2018年10月袁7家公司成

立ODSA渊OpenDomain-SpecificArchitecture冤组织袁到

今年上半年就增加到53家袁其目标是制定芯粒开放标

准尧促进形成芯粒生态系统遥英特尔目前已经创建了

自己的生态系统并正在着力推动建立芯粒行业标准袁

第19卷第10期许居衍院复归于道要要要封装改道芯片业

如推出高密度互连的嵌入式多芯片互连桥渊EMIB冤和

可作为行业标准接口的高级接口总线渊AIB冤技术袁还

发布了名为Foveros的全新3D异质堆叠技术遥

图4Marvell试水多片集成

从这里袁我们看到一个野螺旋上升尧复归于道冶的过

程院芯粒是商品化的尧具有特定功能渊如USB尧存储器冤

的尧未经封装的裸芯片渊硬IP冤曰制造全部芯粒并用堆

叠硅互连渊SSI冤就成为了3DIC遥芯粒模式就是硬IP的

复用袁是传统SoC的软IP复用的野复归冶袁而由芯粒搭

积木组装的野多芯片模组渊MCM冤冶则是传统成品芯片

野MCM冶的逻辑复归袁如图5所示遥

图5芯粒逻辑复归与面临问题

当前ODSA组织正在推动芯粒接口与标准袁未来

不论芯粒来自台积电尧中芯国际还是世界其他厂商袁

都能根据需要合理选择并野即插即用冶袁从而推动微系

统的整体发展尧推进芯片架构创新尧加快系统架构创

新尧加速领域专用架构与语言渊DSA/DSL冤尧可重构计

算的发展以及软件定义系统的发展遥将芯粒与多片异

构集成封装技术完美结合袁像搭积木一样制造芯片将

可能改变计算行业遥

芯粒模式成功的关键在于芯粒的标准和接口袁目

前仍然面临诸多难题袁如行业尚缺标准的组装或封装

芯粒的方法袁芯粒之间的互连方案有待选择袁需要建

立芯粒的验证和测试方法以沟通设计和制造袁还需要

建立芯粒制造尧封装和集成商的供应链关系等等曰不

同节点设计制成的芯粒在集成时所采用的拓扑结构

也面临不少难题遥值得欣慰的是袁国内的封测企业如

长电尧通富微电尧华天尧华进等在先进封装领域已有长

足发展袁未来成就可期遥

4结束语

英特尔公司一位专家宣称袁芯粒模式兴起野即将

迎来多芯片封装渊MCP冤的海啸冶袁国外一些大型芯片

制造商纷纷转向芯粒袁对于业界来说袁这是个积极的

信号遥野封装改道芯片业冶或将成为现实遥若干年后是

否会形成一个开放的产业生态袁是否要建立芯粒生态

推进联盟也是值得业界认真思考的问题遥

目前袁国内IDM尧Fabless尧Foundry厂商还很少关

注芯粒的发展袁而芯粒模式又涉及产业链的各个方

面袁本次年会提出的野协同发展尧共享共赢冶的会议主

旨袁对于健康发展芯粒生态具有重要的意义遥

渊本文由赵博尧季鹏飞根据许居衍院士在2019中

国半导体封装测试技术与市场年会上的报告整理冤

作者简介院

许居衍渊1934要冤袁男袁中国工程院

院士袁中国电子科技集团公司第五十

八研究所名誉所长袁长期从事半导体

技术与工业的开发工作袁研制成功中

国第一代单片硅平面集成电路制造技

术袁曾获全国科学大会奖尧国防科技进

步奖袁部尧省级科技进步奖多项遥

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本文标签： 芯粒芯片集成封装发展