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Chiplet與異構(gòu)集成即將改變電子系統(tǒng)的設(shè)計、測試和制造方式。芯片行業(yè)的“先知”們相信這個未來是不可避免的。他們認(rèn)為，相比于最新的設(shè)計節(jié)點，異構(gòu)、多chiplet的架構(gòu)可以降低成本和功耗。盡管這一預(yù)測得到了廣泛的接受，但問題是，大家都準(zhǔn)備好了嗎？
前不久在舊金山的Semicon West上，Applied Materials舉行了異構(gòu)集成討論會，由他們的半導(dǎo)體產(chǎn)品組的副總裁Vincent DiCaprio主持，討論了fabless芯片設(shè)計師、代工廠和生產(chǎn)設(shè)備公司開發(fā)的特定異構(gòu)集成策略。這場對話揭示出，在市場看到更廣泛的chiplet實現(xiàn)之前，還存在一些重大挑戰(zhàn)。
Chiplet的前景吸引了許多fabless公司，尤其是那些為高性能計算解決方案開發(fā)CPU和GPU的公司。然而，高昂的成本讓Qualcomm這樣重要的玩家望而怯步。異構(gòu)集成的一個大問題是先進的封裝技術(shù)，wafer-to-wafer鍵合或die-to-wafer鍵合。
代工廠或是OSAT（outsourced semiconductor assembly and test），誰來負(fù)責(zé)高級封裝技術(shù)是個大問題。這兩方將何時開始合作，如何合作？最重要的是，由于缺乏計量工具，討論組的成員們紛紛表示，推動chiplet的快速采用變得難以負(fù)擔(dān)。
小組討論包括AMD、Intel、Qualcomm、Besi和EV Group的代表。Besi是一家設(shè)計和制造半導(dǎo)體設(shè)備的荷蘭公司。總部位于奧地利的EV Group是晶圓鍵合和光刻設(shè)備供應(yīng)商。
AMD：異構(gòu)集成的早期采用者
AMD是異構(gòu)集成的早期采用者。AMD的技術(shù)和產(chǎn)品工程高級副總裁Mark Fuselier將其描述為“跨越過去十年的旅程”。通過“將SoC解構(gòu)成多個片段，然后在封裝中重新組合起來”，AMD首先在數(shù)據(jù)中心設(shè)計了基于Zen的CPU。
但是，“當(dāng)我們開始熟悉chiplet時，我們發(fā)現(xiàn)其中有更多的機會。”AMD的異構(gòu)集成第二代是“將內(nèi)存更靠近邏輯部分”。首先是在圖形空間中使用了HBM（high bandwidth memory）。Fuselier稱之為AMD的“一個轉(zhuǎn)折點”，他解釋說最近正在讓SRAM更靠近CPU。
他指出，第三代更加令人興奮。AMD看到其未來在于“實現(xiàn)真正的異構(gòu)集成，優(yōu)化chiplet以適應(yīng)CPU或GPU計算。”它已經(jīng)成為了“一個架構(gòu)師的夢想，能夠優(yōu)化每一個計算空間中的工作負(fù)載。”
Qualcomm：移動領(lǐng)域中的chiplet？
當(dāng)AMD利用異構(gòu)集成服務(wù)于客戶端和數(shù)據(jù)中心時，Qualcomm在移動領(lǐng)域的定位又在哪里呢？
Qualcomm的副總裁兼研究員Chidambaram指出，“Qualcomm要想在智能手機市場上繼續(xù)生產(chǎn)更具競爭力的超大批量產(chǎn)品，我們需要超越摩爾定律的創(chuàng)新。”
他說：“五年前，我知道GAA將是2022年的技術(shù)。但是從現(xiàn)在起五年后，我不確定我們會做什么?！彼麖娬{(diào)，Qualcomm看到自己“走在橫軸和縱軸之間的二維空間里”，其中“吞吐量成為一個關(guān)鍵向量，而不是規(guī)?！?。
盡管Qualcomm對chiplet思考很多，但Chidambaram表示，由于chiplet無法滿足Qualcomm的成本要求，所以還沒有相關(guān)產(chǎn)品。
盡管如此，隨著市場從5G轉(zhuǎn)向6G，Qualcomm看到了chiplet的潛力。他解釋說，從整體上看，一個系統(tǒng)有大量的射頻、電源管理和內(nèi)存。Chidambaram說：“插入損耗很大，功率放大器的性能必須非常接近系統(tǒng)芯片的其他部分。異構(gòu)集成成為將所有這些整合在一起的關(guān)鍵。”
智能手機并不是6G轉(zhuǎn)型唯一重要的領(lǐng)域。Chidambaram舉了十字路口的例子?！耙坏┠阃耆珜嵤┝?G，借助異構(gòu)集成將延遲從現(xiàn)有的7-8ms降低到1-2ms，你就可以讓路邊單元完全管理十字路口，人們甚至不需要停車。”
當(dāng)然。他承認(rèn)，啟用這樣的功能需要“大量的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，才能履行所有的延遲要求和承諾，以及在路邊單元上的連接數(shù)量。”
Intel：chiplet制造所需的關(guān)鍵技術(shù)
談到異構(gòu)集成，Intel擁有得天獨厚的優(yōu)勢。Intel的業(yè)務(wù)涵蓋了芯片設(shè)計、內(nèi)部制造和外部代工服務(wù)。
Intel的高級副總裁兼裝配/測試開發(fā)總經(jīng)理Babak Sabi說：“未來，Intel看到了需要將大量的內(nèi)核與內(nèi)存結(jié)合……以絕對最低的延遲和最高的帶寬”，這一切都會歸結(jié)為“互連和封裝問題”。
Sabi指出，可以通過混合鍵合來堆疊芯片，這有助于減少每比特的皮焦。除了這種物理連接，“橫向集成”也是必要的，Sabi強調(diào)，以盡可能密集的方式連接芯片。他說，這一步需要創(chuàng)新，“超越我們在晶圓級裝配中已經(jīng)擁有的技術(shù)”。
這就是玻璃基板變得極其重要的地方。Sabi說：“它讓我們能夠?qū)⑦@些巨大的復(fù)合體組合在一起，你可以完全消除interposer。我知道大家都喜歡銅，但銅最終會耗盡高速通信的能量。”未來在于Sabi所說的“光學(xué)領(lǐng)域”。
混合鍵合的現(xiàn)狀
無論是wafer-to-wafer還是die-to-wafer，混合鍵合都是實現(xiàn)chiplet高級封裝的關(guān)鍵。
BE Semiconductor Industries N.V.（Besi）的CEO Richard Blickman表示，混合鍵合中最關(guān)鍵的元素是“裝配、互連和前端之間的握手”。這個過程仍然“處于非常早期的階段”。
盡管不愿預(yù)測混合鍵合何時會在更大規(guī)模上被采用，但Blickman強調(diào)，在過去的兩年里，已經(jīng)有了大批量chiplet設(shè)計的PoC。不過，他回顧說，flip chips在23年前就已推出，但多年后才成為主流，因此他建議大家耐心等待。他指出，混合鍵合需要更精確的粒子，這是設(shè)備供應(yīng)商面臨的“最大的敵人之一”。設(shè)備本身必須更小。
EV Group的技術(shù)執(zhí)行總監(jiān)Paul Lindner指出，“我們將晶圓鍵合視為規(guī)模提升的推動器……它提供了將有源層從一個晶圓轉(zhuǎn)移到另一個晶圓的可能性，從而進入晶圓背面?！?/p>
Lindner指出，晶圓鍵合已經(jīng)得到了不同的實現(xiàn)，包括SOI晶圓（鍵合晶圓）。另一個大量應(yīng)用的例子是BSI傳感器（backside illuminated?sensor），這種傳感器可以接觸到光電二極管的背面，而不會受到布線的阻礙。他解釋說，這提高了傳感器的靈敏度。Lindner還看到3D NAND閃存正在采用混合鍵合。
混合鍵合的挑戰(zhàn)????????
那么，怎樣才能加快混合鍵合的應(yīng)用并實現(xiàn)大批量生產(chǎn)呢？
AMD的Fuselier說，“混合鍵合的神奇之處真的在于它所能帶來的密度”，這為芯片設(shè)計者提供了更多選擇。
“作為一個架構(gòu)師，我們需要弄清楚如何最好地利用這種密度來應(yīng)對我們面臨的一些挑戰(zhàn)，無論是logic to logic，還是interconnect logic to memory?！盕uselier解釋說，還需要出現(xiàn)更多的創(chuàng)新。為此，“我們需要開發(fā)工具集來推動這種互連?！?/p>
他說，雖然晶圓廠有很多工具，但封裝方面的工具集不足以讓芯片設(shè)計者決定是否使用混合鍵合。
Intel的Sabi從制造角度闡述了混合鍵合的問題。
他指出，晶圓廠和封裝供應(yīng)商之間的更緊密合作至關(guān)重要。像混合鍵合這樣的技術(shù)“真的打破了兩者之間的界限”。在眾多挑戰(zhàn)中，他指出，互連的密度是巨大的?！拔覀冃枰獦O端的粒子控制能力，才能使CMP工藝保持原狀”，這是在整個晶圓上實現(xiàn)這種機制所必需的。
根據(jù)Intel的說法，圍繞混合鍵合的許多挑戰(zhàn)可歸結(jié)為計量工具。Sabi說，“我們強調(diào)計量工具。因為我們必須要找到問題，這樣才能解決它們?！?/p>
考慮到混合鍵合模糊了傳統(tǒng)的前端處理和后端裝配測試之間的界限，像Qualcomm這樣的fabless巨頭需要什么呢？
Chidambaram指出，這一切都與系統(tǒng)級集成有關(guān)。在討論公司內(nèi)部的系統(tǒng)集成時，他說，“負(fù)責(zé)CPU的人和其他開發(fā)射頻的人對彼此的領(lǐng)域了解不深?！睘榱藢崿F(xiàn)不同領(lǐng)域的“協(xié)同優(yōu)化”，“我們需要工具，以及人們可以在這些不同領(lǐng)域之間使用的語言。”
Chidambaram從三維層面詳細(xì)介紹了混合集成，他說，“你說的是創(chuàng)造一種后端類型的集成。要做到這一點，你需要所有的物理學(xué)來解決問題，同時還需要解決多個芯片的電氣行為。你把一個模塊從頂部移動到底部，它會改變你的熱行為、改變你的機械行為，你需要同時優(yōu)化所有這些東西?！?/p>
阻礙chiplet發(fā)展的最大問題是工具集?，F(xiàn)有的各種工具，可以分別解決一些特定的問題。但這個行業(yè)需要投資并開發(fā)能夠從三維角度解決異構(gòu)集成問題的工具。
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