[20240903] UCIe聯盟號召Chiplet小晶片全面探索,Intel與台積電跨足合作全球首個UCIe小晶片
異質小晶片架構除了可改善良率外,還允許製造商通過在單個封裝中組合不同類型的核心來創建優化的處理器。例如:異質行動處理器可以在單獨的小晶片上同時具有高性能、高功耗的核心,以及低性能、低功耗的核心。其可透過作業系統可以決定不同程式使用不同核心,以達到優化整體功率和性能的目的。
從歷史上看,基於小晶片架構和SoC架構通常使用2D封裝幾何形狀。對於這樣的幾何結構,兩個小晶片可能相距較遠,將SerDes PHY與時脈、數據串聯在一起,雖然不會產生傳播延遲,但卻會消耗更多功率。
為解決這個問題,半導體設計公司已經開始研究使用平行互連和中介層的2.5D和3D小晶片幾何結構。因為中介層允許小晶片堆疊,並大大減少數據和時脈訊號需要在小晶片之間傳輸的距離。至於平行互連,可以實現低很多的延遲傳輸,因為不再有與SerDes系統中的序列化、反序列化、編碼和解碼相關問題。
UCIe誕生原因:在於降低成本和在單一封裝中使用不同類型的製程節點
- 小晶片通過先進封裝技術,能將多種不同架構、不同工藝節點、甚至來自不同代工廠的專用矽塊或IP塊集成在一起,可以跳過流片,快速定製出一個能滿足多種功能需求的超級晶片產品。[2]
- 小晶片的三大價值:開發快、成本低、功能多 [2]
- Chiplet是一種幫莫爾效應延壽的封裝機制
1、未來10年的電晶體
無論平面電晶體、FinFET和RibbonFET電晶體,都是使用由n型(NMOS)和p型(PMOS)電晶體組成的CMOS技術,也成為所有邏輯電路的基礎。這種互補場效電晶體將是延伸摩爾定律至下個10年關鍵。
2、高良率且廉價的塑料處理器
Arm和PragmatIC公司在2021年宣布開發PlasticArm原型機,將56,000個以上的半導體元件整合到一個柔性且便宜的微晶片中。但即使最簡單的微控制器,其複雜的設計也不適合以塑料進行量產。
為了解決塑料晶片設計的特殊性,美國伊利諾大學和英國的工程師開發出一種可以量產的簡單架構,成本不到1美分。
3、單晶片處理器能力已達極限
單晶片的PC或伺服器CPU概念即將成為歷史。2022年蘋果(Apple)揭露Mac Studio使用的M1 Ultra晶片,使用先進封裝技術將2個晶片合而為一。NVIDIA的Grace CPU處理器也採用類似技術。
設計人員正逐漸放棄大晶片的想法,因為晶片已達到尺寸限制,無法再擴大。將2個小晶片互連不僅可增加1倍電晶體數量,還不用移向更先進的晶片製程。
4、全球晶片短缺
2020年和2021年的晶片嚴重缺貨問題,一直延續到了2022年,各種供應鏈仍十分脆弱。美國政府官員試圖通過一些重大的製造法案來解決缺貨問題。
5、系統技術偕同最佳化(System Technology Co-optimization;STCO)
英特爾技術開發總經理Ann B. Kelleher認為,摩爾定律將依賴所謂的STCO發展概念來延續微縮技術發展之路。這是一種由外而內的發展方式,從產品需要支援的工作負載及軟體開始,深入到系統架構,然後決定封裝中必須使用哪種類型的矽以及半導體製程。
Kelleher舉Aurora超級電腦使用的Ponte Vecchio加速器做為範例,它是由47 個小晶片組成,使用2.5D封裝技術和3D堆疊,將不同製程的晶片整合在一起。
6、3D晶片技術顛覆運算
3D晶片封裝在2022年開始蔚為潮流,至少高階邏輯領域如此。AI超級電腦新創Graphcore與使用台積電的3D晶片堆疊技術來改善晶片的功率流動,將訓練神經網路的速度提高40%。超微(AMD)也使用不同的台積電3D晶片堆疊技術增加運算小晶片的記憶體。英特爾也透過自家晶片封裝技術為Ponte Vecchio打造一個47晶片組的運算怪物。
7、美國通過晶片法案推動半導體製造
晶片製造業被視為經濟和軍事安全的關鍵。美國通過總經費2,800億美元的《晶片與科學法案》(Chips and Science Act),其中520億美元資金將用於興建或擴建晶圓廠或晶片製造設備設施。
8、聲學拓樸電晶體
科學家們一直在研究基於拓撲材料的電子元件,這種材料可以保護電流不受干擾。哈佛大學的科學家們已發明並模擬了第一個聲學拓撲電晶體,使用聲波而非電子進行操作。
9、RISC-V架構AI晶片日益普及
2022年,開源指令集架構RISC-V開始快速滲入機器學習市場,從Esperanto AI等針對伺服器的新創,到耐能智慧(Kneron)這類針對邊緣運算的新創已推出RISC-V架構晶片。
10、3D快閃記憶體晶片突破200層
美光(Micron Technology)率先推出232層NAND快閃記憶體晶片,SK海力士也表示其238層TLC產品的樣品已送出,將於2023年全面量產。
[2][20221213]鴻海有意打小晶片牌? 封測業界坦言有三挑戰
半導體業界資深大咖蔣尚義加入鴻海集團,擔任半導體策略長讓各界眼睛一亮。蔣尚義曾任台積電營運長,且多次任職於中國晶圓代工龍頭中芯國際,在晶圓代工端具有深厚經驗,並且為提出小晶片(Chiplet)概念先進封裝技術的先驅之一。
外界對於蔣尚義加入鴻海半導體事業部門後,有各方推測與想像,甚至也有市場推論,蔣尚義將助攻鴻海集團進軍協助摩爾定律延壽的「先進封裝」與「異質整合」技術。
挑戰一:先進封裝綁定的Wafer-Level技術天險
台積電的3D Fabric平台可說是「晶圓級」先進封裝的第一把交椅,與IDM龍頭的英特爾(Intel)分庭抗禮,且在專業代工領域,成功殺出一片天。
最著名的就是台積電卓越科技院士余振華等人推動,助攻台積獨拿iPhone應用處理器(AP)的整合型晶圓級扇出封裝(InFO),以及量產10年以上,廣獲高效運算(HPC)鑽石級客戶包括NVIDIA、超微(AMD)/賽靈思(XilinX)、博通(Broadcom)等好評的2.5D IC封裝CoWoS技術,可異質整合高頻寬記憶體(HBM)。
業者坦言,台積電3D Fabric的成功,很大一部分是植基於晶圓級製程的紮實基礎與領先程度,先進封裝主要也是助攻即將面臨物理極限的摩爾定律,在2D的製程微縮與3D晶圓堆疊的方向並進。
因此,不管是英特爾或是台積電的小晶片概念,逐步走向了晶圓同質、異質整合的3D堆疊(3D Stack)IC封裝,這建立在能夠掌握先進製程的前提下。
挑戰二:成熟製程採小晶片有成本挑戰 28奈米成分水嶺
先進封裝業者表示,28奈米將是一個明顯的分水嶺,以一般邏輯運算晶片來看,28奈米以上的成熟製程其實沒有太多採用小晶片先進封裝的必要性,若是在28奈米以上的成熟製程晶圓領域,反而不見得有成本競爭力。
先進封裝有很重要的一部分是「堆疊」(疊Die),舉凡如CoWoS封裝的矽穿孔(TSV)技術、2.5D矽中介層(Si interposer)、有機中介層等,甚至是Hybrid Bonding的3D SoIC等。
這些為應用於頂規HPC晶片先進封裝的技術,也伴隨需要採用先進製程製造的晶片。而晶圓級堆疊技術的成本不斐,若用不那麼先進的wafer來進行先進封裝,確實在成本上面臨考驗。
再從專業OSAT廠如日月光投控與旗下矽品的角度來看,晶圓級先進封裝通常是台積電的強項,一方面因為台積電的規模與投資金額龐大,這類高階3D封裝如SoIC等技術,確實需要許多資源奧援。
另一方面,HPC晶片大客戶也會審慎考量「風險控管」與「責任歸屬」。由於如5奈米,甚至是後續的3奈米、2奈米等晶圓製造成本不斐,一片晶圓要價數萬美元並非難事,若委託OSAT廠僅進行封裝段,若晶片出現問題,則難以劃分責任。
與其如此,客戶端不如直接擁抱台積電的先進製程綁定先進封裝一條龍生產,雖然要價通常相對昂貴,但這就是合理的風險控管。
因此如AI晶片龍頭NVIDIA,頂規HPC晶片幾乎都是台積電統包,超微雖然也有部分頂級HPC於專業封測代工廠(OSAT)進行先進封裝,惟每一世代產品在尋求供應鏈奧援時,台積電的一條龍服務仍是相對有吸引力。
先進封裝業者指出,TSV技術門檻相對沒那麼高,大概是CMOS影像感測(CIS),如Sony等一線大廠確實有用這樣的技術生產CIS元件,鴻海集團後續會否也投入CIS的生產,倒是值得觀察。
挑戰三:矽光子先進封裝潛力受矚 仍難避開先進製程
鴻海集團多方布局半導體,除12吋晶圓廠等的推進外,在後段封測領域,已有系統級封裝(SiP)量產實績的訊芯與山東青島新核芯受到各界關注。
https://money.cmoney.tw/article/28345
陳偉銘目前是鴻海集團旗下半導體S事業群總經理
訊芯董事長徐文一11月時揭露,除手機射頻(RF)、功率放大器(PA)模組的SiP外,已經奪下多家美系、中系大廠客戶訂單的光收發模組封裝業務,正持續蓬勃起飛中,預期越南河內廠、北江新廠將成為美系客戶主要生產據點,既有廣東中山廠則服務中系客戶。
徐文一也表示,共同光學封裝(CPO)將是未來的發展方向之一,更會邁入矽光子(SiPh)先進封裝領域。
值得注意的是,多年前蔣尚義仍在台積電任職時,也曾一度著墨於矽光子先進封裝,原本預計採用CoWoS等先進封裝技術切入客戶供應鏈,但最初因客戶端希望多與OAST多方比較成本,在蔣尚義仍於台積電的時代,矽光子先進封裝並未有太多明確進展。
熟悉先進封測業者指出,矽光子先進封裝的異質整合過程中,還是得搭載一顆控制、運算用的高階處理器,這顆處理器以現在的半導體發展態勢來看,「至少需要7奈米」,也仍難避開先進製程。
OSAT龍頭日月光投控也透露,在矽光子先進封裝領域跟台積電有許多合作,鴻海集團在半導體前段製程的技術差距,後續要怎麼跟其他業者合作,還有待觀察。
業界估鴻海「技術牌」待觀察 「人望牌」先出招
台系OSAT高層透露,觀察鴻海集團近期對於「未來車」與車用半導體的擘劃大計,先行依賴蔣尚義在業界深厚經驗的「人望牌」,進一步回頭強化既有半導體製程基礎,倒也確實是中肯的方向。
OSAT業者表示,多數車用晶片並不需要先進封裝,反而是傳統打線封裝等應用的範疇較廣,唯一可能需要高運算能力的是行車電腦晶片,隨著未來車愈來愈高智慧化,導入更多複雜功能,往AI靠攏,或許這部分的發展可以觀察。
熟悉半導體業界人士也坦言,其實蔣尚義是「閒不下來」的業界前輩,針對半導體先進技術的發展,不管是投資研發等布局,至少都是需要2~3年以上,必須一步一腳印的深厚基本功才行。
不管是台積電、英特爾、三星電子(Samsung Electronucs)甚至日月光集團,都經過了相當時間的醞釀,才在晶圓級或是植基於載板(Substrate)封裝的高階技術,得到一線客戶的肯定。
除NVIDIA、超微等美系GPU龍頭,以手機晶片為主力的聯發科,先前市場上傳出有意追隨蘋果採用扇出型封裝(Fan-out),甚至包括HPC晶片都有意擁抱2.5D IC封裝技術,但內部人士也透露,希望尋求「最有量產經驗」的供應商奧援。
在追求算力大戰的頂規HPC領域,成本可能不是考量,不過若在車用半導體領域,穩定、良率、安全性可能是優先依歸。
是故,業界普遍預期,蔣尚義在協助鴻海集團整體推動半導體布局與構建大藍圖方面,將有一定的影響力,但是否快速進入先進封裝、3D Chiplet等高階技術層次,還有待一段不算短的時間醞釀。
在美國意圖削弱中國半導體供應鏈實力的背景下,作為中國重要晶片製造聚落的江蘇省,將於6月舉辦線上研討會,旨在鼓勵外國半導體企業與中國本土業者進行合作。此外,被視為先進製造技術落後外國的可能解方,小晶片技術在中國業界專家間的討論度愈來愈高。
近幾個月以來,因應疫情爆發採取的封控措施,導致江蘇、上海一帶製造業產線受到嚴重影響。天風證券觀察,產出情況不穩定,導致許多當地業者失去海外訂單;估計高達40%半導體企業正考慮將產能移往台日韓或東南亞地區。
此外,BBC報導,日前美國總統拜登(Joe Biden)到訪日本東京,正式宣布啟動印太經濟框架(IPEF),首批成員國共13個。美國官員表示,這是為印太國家提供面對關鍵問題時與中國不同的方法,以及獨立於中國的安排。
中國憂心,美國此舉是在削弱中國在半導體等全球重要產業供應鏈中的角色。據傳,SK海力士(SK Hynix)曾在美國壓力下擱置無錫擴廠計畫,無錫因此失去一次發展先進製造的機會。為抵抗美國限制先進晶片技術出口中國的壓力,除了如同江蘇舉辦活動吸引國內外投資者,自主技術發展也成為中國半導體產業的重要前進方向。
持續受到美國制裁的華為,先前透露希望利用面積與堆疊技術換效能,以成熟製程來保障產品競爭力,也曾申請過與矽穿孔(TSV)垂直互連技術相關的專利。
許多研究者也開始寄希望於小晶片技術,相信能幫助中國達成半導體製造自給自足的目標。例如,中國計算機互連技術聯盟(CCITA)秘書長郝沁汾明確表示,中國可以利用28奈米晶片結合小晶片技術,生產出效能與功能性上接近16奈米甚至7奈米先進製程晶片的產品。
但是,加拿大技術分析與IP服務機構TechInsights質疑,小晶片概念之所以在中國業界風行,是因為中國相對擅長封裝,但小晶片作為封裝技術,並無法獨力解決中國先進製造的困境。北京清華大學集成電路學院教授魏少軍也指出,小晶片只能補足而無法取代先進製造技術。
全球多國半導體業者在3月初宣布成立的UCIe產業聯盟,旨在發展小晶片技術相關的業界標準,但迄今並無中國業者加入。而在聯合多家企業、中國電子技術標準化研究院、科研院所經10個月的努力下,CCITA也於3月底宣布完成《小芯片接口總線技術》等標準草案的制定。
[2][20200526]小晶片時代來了!
https://twgreatdaily.com/bkrOUHIBd4Bm1__Ywo9l.html
小晶片的三大價值:開發快、成本低、功能多
當前晶片設計模式常從不同IP供應商購買軟核IP或硬核IP,再結合自研模塊集合成一個片上系統(SoC),然後以某個製造工藝節點生產出晶片。
而小晶片通過先進封裝技術,能將多種不同架構、不同工藝節點、甚至來自不同代工廠的專用矽塊或IP塊集成在一起,可以跳過流片,快速定製出一個能滿足多種功能需求的超級晶片產品。
2016年,Marvell和Kandou Bus宣布一項協議,Marvell採用了 Kandou Glasswing IP作為晶片到晶片的接口,將多個晶片相連接。美國國防部高級研究計劃局(DAPRA)則在2017年8月啟動 「通用異構集成及IP復用策略(CHIPS)」項目,這是DAPRA總投資15億美元的「電子復興計劃(ERI)」中的一部分,意在 促成一個兼容、模塊化、可重複利用的小晶片生態系統。
理想狀態下,藉助小晶片方法,晶片設計公司只需專注於自己擅長的IP,而不必擔心其餘IP,既有助於提升核心創新能力,又經由多種IP設計分攤了研發成本。
DAPRA向英特爾、美康、Cadence、思諾思科技等晶片企業以及一些大型軍工企業、高校科研團隊伸出橄欖枝,邀請他們作為項目的主承包方。
作為CHIPS項目的核心成員之一,英特爾推出AIB,作為chiplet架構的免版稅die-to-die接口標準。
例如,英特爾的Stratix 10、Agilex FPGA均使用相同的AIB接口來集成多種不同的小晶片。在CHIPS項目的支持下,許多不同企業及高校正在用AIB打造小晶片系統。
英特爾也是開放計算項目開放特定域架構 (OCP ODSA)基金會的成員,該基金會正在促進標準和技術的發展,以幫助實現高級封裝策略。
英特爾將其伺服器處理器、FPGA、PC晶片等作為小晶片技術的商業試煉場,AMD亦將小晶片用在了伺服器和客戶端CPU中。
台積電CoWoS(Chip on Wafer on Substrate)***CoWoS(Chip on Wafer on Substrate)是一種整合生產技術,先將半導體晶片透過Chip on Wafer(CoW)的封裝製程連接至矽晶圓,再把此CoW晶片與基板連結,整合而成CoW-on-Substrate。
CoWoS是台積電致力發展2.5D/3D IC一條龍製程,公司要提供全套服務,包括下游封裝測試。整套流程包括,整合晶圓鍵合(Wafer Bonding)、薄晶圓(Wafer Thinning)、晶片基板鍵合(Chip on Substrate)及晶片封測等技術,將各種邏輯和記憶體晶片精準疊合。
CoWoS和InFO均為2.5D封裝技術,前者側重於高端市場,連線數量偏多,後者針對高性價比市場,連線數量相對較少。
基於CoWoS與多晶圓堆疊(WoW,Wafer on wafer)技術,台積電研發了新一代3D封裝技術SoIC,可將不同尺寸、製程工藝及材料的小晶片組合。
相較傳統3D封裝技術,SoIC的凸塊密度和傳輸成本更高,功耗更低,且能通過與CoWoS或InFO技術整合其他晶片,打造3D x 3D系統級解決方案。
結語:通向下一節點的低成本路徑
小晶片並非完美的,如今在小晶片探索的道路上,流量擁堵、散熱、電源管理、測試等問題均是系統架構設計仍待克服的主要挑戰。
儘管有DAPRA CHIPS、OCP ODSA等項目在著力推進小晶片接口標準化,但獨立第三方小晶片供應的商業模式何時能在晶片產業中普及,當前尚未可知。
也許任何一種方法很難「單槍匹馬」就挽救摩爾定律,但不可否認的是,小晶片這種新興方法正在改變晶片的設計和集成策略,以更靈活的混合搭配系統方案,為晶片公司提供了遷移到下一個節點的低成本路徑。
處於這樣一場新革命的開端,無疑是一件激動人心的事。
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