據(jù)tomshardware報(bào)道，在今年的IEDM 會(huì)議上，臺(tái)積電突然分享了一個(gè)包含 1 萬(wàn)億晶體管的芯片封裝路線。據(jù)臺(tái)積電所說(shuō)，這些龐然大物將來(lái)自于單個(gè)芯片封裝上的 3D 封裝芯粒集合。與此同時(shí)，如圖所示，臺(tái)積電也在致力于開(kāi)發(fā)在單片硅上包含 2000 億個(gè)晶體管的芯片。

為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，該公司重申正在致力于 2 納米級(jí) N2 和 N2P 生產(chǎn)節(jié)點(diǎn)以及 1.4 納米級(jí) A14 和 1 納米級(jí) A10 制造工藝，這些工藝預(yù)計(jì)將于 2030 年完成。此外，臺(tái)積電預(yù)計(jì)封裝技術(shù)（CoWoS、InFO、SoIC 等）將將其取得進(jìn)步，使其能夠在 2030 年左右構(gòu)建封裝超過(guò)一萬(wàn)億個(gè)晶體管的大規(guī)模多Chiplet解決方案。

而在這背后，則是芯片設(shè)計(jì)范式轉(zhuǎn)變的無(wú)奈選擇。

01 單片集成，強(qiáng)弩之末

自戈登摩爾定義“摩爾定律”以來(lái)，芯片產(chǎn)業(yè)一直在這個(gè)墨守成規(guī)的行業(yè)金科玉律指導(dǎo)下繼續(xù)發(fā)展。在集成電路發(fā)明之后的幾十年里，大多數(shù)芯片單位尺寸上集成的晶體管數(shù)量都呈現(xiàn)指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，芯片的性能也同時(shí)水漲船高。

但是，進(jìn)入到最近幾年，受限于材料本身的物理特性，制造設(shè)備和工藝、架構(gòu)的瓶頸。像過(guò)往那樣在單芯片上集成更多的晶體管越來(lái)越難。但是，在人工智能和自動(dòng)駕駛汽車(chē)需求的推動(dòng)下，市場(chǎng)對(duì)芯片高性能有著極高的需求。這就使得持續(xù)增加芯片性能，成為了必然之路。

過(guò)往一直使用的單片集成的方案還有著不小的吸引力，英偉達(dá)和Cerebras就是其中最忠誠(chéng)的捍衛(wèi)者。首先看英偉達(dá)，該公司推出的擁有 800 億晶體管的GH100就是市場(chǎng)上最復(fù)雜的單片處理器之一。再看Cerebras，這家新創(chuàng)公司在一整塊晶圓上實(shí)現(xiàn)了 2.5 萬(wàn)億晶體管的集成。

之所以大家那么“念舊”，這與單片集成本身的特點(diǎn)有著莫大的關(guān)系。

據(jù)了解，這主要與單片集成涉及在單個(gè)半導(dǎo)體襯底上創(chuàng)建整個(gè)集成電路，所有組件（例如 CPU 內(nèi)核、內(nèi)存和 I/O 接口）均在單一制程中制造在一起有著莫大的關(guān)系。受惠于這樣的設(shè)計(jì)，由于組件非常接近，單片設(shè)計(jì)通常可以提供卓越的性能；與此同時(shí)，這種接近性還減少了信號(hào)延遲和功耗，使單片芯片成為高性能計(jì)算的理想選擇；此外，單片集成可以縮芯粒尺寸并降低功耗；再者，單片設(shè)計(jì)中的片上通信速度更快，因?yàn)榻M件在物理上更接近，從而實(shí)現(xiàn)更低的延遲和更好的整體系統(tǒng)性能。

因此，這種緊湊的設(shè)計(jì)可以累計(jì)數(shù)十億或數(shù)萬(wàn)億次計(jì)算。而按照臺(tái)積電的說(shuō)法，我們很快就會(huì)有更復(fù)雜的單片芯片，擁有超過(guò) 1000 億個(gè)晶體管。但構(gòu)建如此大型的處理器變得越來(lái)越復(fù)雜和昂貴。同時(shí)，隨著芯片尺寸變得更大，晶圓良率問(wèn)題變得更加突出。

有見(jiàn)及此，許多公司選擇了chiplet（芯粒）設(shè)計(jì)（如AMD 的 Instinct MI300X 和英特爾的 Ponte Vecchio 由數(shù)十個(gè)芯粒組成），這與這種設(shè)計(jì)擁有很多優(yōu)勢(shì)有關(guān)。

首先，芯粒可輕松實(shí)現(xiàn)集成電路的可擴(kuò)展性和定制化。制造商可以混合和匹配芯粒來(lái)創(chuàng)建具有不同功能的產(chǎn)品，使它們能夠適應(yīng)不同的應(yīng)用；

其次，芯粒的模塊化特性允許并行開(kāi)發(fā)，從而縮短新產(chǎn)品的上市時(shí)間。公司可以同時(shí)開(kāi)發(fā)各個(gè)芯粒，從而加快創(chuàng)新速度；

再者，制造較小的芯粒比生產(chǎn)大型單片設(shè)計(jì)更具成本效益，特別是對(duì)于良率可能較低的先進(jìn)節(jié)點(diǎn)；

最后，較小的芯片具有較高的良率，因?yàn)閱蝹€(gè)有缺陷的芯粒不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)產(chǎn)品無(wú)法使用；此外，芯粒還可以通過(guò)針對(duì)所需任務(wù)進(jìn)行優(yōu)化的處理元件來(lái) 提供增強(qiáng)的性能。

在芯粒設(shè)計(jì)大行其道的同時(shí)，也對(duì)封裝提出了更多的需求，因?yàn)橹挥懈玫姆庋b和互聯(lián)，才能將這些芯粒更好地集成到一起，這正是臺(tái)積電及其客戶必須同步開(kāi)發(fā)邏輯技術(shù)和封裝技術(shù)的原因。前者為后者提供密度改進(jìn)，這也正是臺(tái)積電將生產(chǎn)節(jié)點(diǎn)的演變和封裝技術(shù)都包含在同一張幻燈片上的原因。

02 先進(jìn)封裝，新戰(zhàn)場(chǎng)

早前，半導(dǎo)體行業(yè)觀察曾經(jīng)報(bào)道過(guò)，美國(guó)將投資30億美元發(fā)展先進(jìn)封裝，這足以證明了之前不被看好的封裝的重要性（參考文章《美國(guó)投資30億美元，大力發(fā)展先進(jìn)封裝》）。基于此，芯片制造商也可以以更有效的方式將不同類(lèi)型的組件封裝在一起，而不是使用最先進(jìn)的工藝制造芯片的每個(gè)部分。這樣可以提高性能，同時(shí)降低成本。

以臺(tái)積電為例，他們?cè)诜庋b技術(shù)上就已經(jīng)投入巨資。今年七月，臺(tái)積電就表示，由于先進(jìn)封裝產(chǎn)能供不應(yīng)求，公司計(jì)劃斥資近新臺(tái)幣900億元（約合人民幣206億元），于竹科轄下銅鑼科學(xué)園區(qū)設(shè)立生產(chǎn)先進(jìn)封裝的晶圓廠。

臺(tái)積電同時(shí)還表示，公司的目標(biāo)是在 2024 年將其稱(chēng)為 CoWoS 的先進(jìn)封裝產(chǎn)能翻一番，該技術(shù)代表公司基板上的晶圓上的芯片，具體而言就是將邏輯和存儲(chǔ)芯片捆綁在一起，并提高了它們之間的數(shù)據(jù)傳輸速度。除此以外，臺(tái)積電還有被稱(chēng)為多項(xiàng)封裝技術(shù)，這就是公司現(xiàn)在被稱(chēng)為3D Fabric的平臺(tái)。在半導(dǎo)體行業(yè)觀察之前的文章《臺(tái)積電的先進(jìn)封裝》中，我們能看到這家晶圓廠巨頭在封裝上面的具體表現(xiàn)。

除了臺(tái)積電以外，晶圓代工競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手英特爾和三星也在先進(jìn)封裝上“斗法”。

首先看英特爾，作為一家把持芯片制造技術(shù)多年的半導(dǎo)體巨頭，英特爾在單芯片集成上有著豐富的經(jīng)驗(yàn)。來(lái)到封裝領(lǐng)域也不例外。值得一提的是，在去年的IEDM上，英特爾就率先提出了2030 年打造包含 1 萬(wàn)億個(gè)晶體管的處理器的雄心。

按照英特爾所說(shuō)，之所以能夠?qū)崿F(xiàn)如此創(chuàng)舉，是因?yàn)楣镜慕M件研究小組的研究人員已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了模糊封裝和硅之間界限的新材料和工藝。英特爾同時(shí)還揭示了將摩爾定律擴(kuò)展到封裝上萬(wàn)億晶體管的關(guān)鍵后續(xù)步驟，當(dāng)中包括可以實(shí)現(xiàn)額外 10 倍互連密度的先進(jìn)封裝，從而實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)單片芯片。英特爾還指出，公司材料創(chuàng)新還確定了實(shí)用的設(shè)計(jì)選擇，可以使用僅 3 個(gè)原子厚的新型材料滿足晶體管微縮的要求，使該公司能夠繼續(xù)超越 RibbonFET 的規(guī)模。

具體看一下英特爾的先進(jìn)封裝。據(jù)英特爾官網(wǎng)介紹，公司擁有FCBGA/LGA、EMIB、Foveros和Co-EMIB等封裝技術(shù)。其中，EMIB和Foveros更是英特爾先進(jìn)封裝的扛把子。

至于三星，同樣也在封裝上年有了很多投入。

據(jù)三星介紹，公司除了擁有2.5D 封裝技術(shù)I-Cube 和 H-Cube外，還擁有3D IC技術(shù)X-Cube。其中，I-Cube部署并行水平芯片放置以提高性能，同時(shí)防止熱量積聚。三星的硅通孔 (TSV) 和后段生產(chǎn)線 (BEOL) 技術(shù)為兩個(gè)或多個(gè)芯片協(xié)調(diào)其專(zhuān)業(yè)功能奠定了基礎(chǔ)，超越了各個(gè)部分的總和，為現(xiàn)代設(shè)備提供了強(qiáng)大的解決方案。根據(jù)插入器類(lèi)型，I-Cube 可用于 I-CubeS 和 I-CubeE 衍生產(chǎn)品。

3D IC 封裝則通過(guò)垂直堆疊組件，使用更短的互連線長(zhǎng)度，從而進(jìn)一步提高性能，從而實(shí)現(xiàn)超高垂直互連密度和更低的寄生效應(yīng)，同時(shí)節(jié)省大量片上空間。三星表示3D IC X-Cube技術(shù)通過(guò) 3D 集成顯著降低了大型單片芯片的良率風(fēng)險(xiǎn)，能夠以更低的成本實(shí)現(xiàn)高系統(tǒng)性能，同時(shí)保持高帶寬和低功耗。

除了這些廠商以外，日月光、安靠和長(zhǎng)電也是先進(jìn)封裝市場(chǎng)不能忽略的重要玩家。

03 萬(wàn)億晶體管，臺(tái)積電的辦法

從上面的報(bào)道可以看到，先進(jìn)封裝是臺(tái)積電走向萬(wàn)億晶體管的必然倚仗。從上圖可以開(kāi)到，除此以外，臺(tái)積電還將依賴(lài)新的溝道材料、EUV、Metal Oxide ESL、Self-Aligned Line w/Flexible Space和Low Damage/Hardening Low-k& Novel Cu Fill等多種技術(shù)以實(shí)現(xiàn)萬(wàn)億的目標(biāo)。

下面，讓我們來(lái)拆解一下臺(tái)積電的這些“謎底”。

首先看溝通材料方面，據(jù)臺(tái)積電所說(shuō)，在 7nm 節(jié)點(diǎn)之前的所有 CMOS 技術(shù)中，硅一直是首選的晶體管溝道材料。但到了5納米技術(shù)時(shí)代，臺(tái)積電首此采用SiGe作為p型FinFET溝道材料的先進(jìn)邏輯生產(chǎn)技術(shù)。現(xiàn)在，臺(tái)積電的晶體管研究團(tuán)隊(duì)也在探索基于具有本質(zhì)上 2D 或 1D 載流子傳輸（低維傳輸）的材料構(gòu)建的器件。包括過(guò)渡金屬二硫?qū)倩铩⑹┘{米帶和碳納米管等材料正在臺(tái)積電內(nèi)部進(jìn)行研究和測(cè)試。

在近兩年的IEDM上，我們看臺(tái)積電的研究人員展示了只有一個(gè)原子厚的 MoS2。該團(tuán)隊(duì)將原子層沉積形成的鉿基電介質(zhì)與單層 TMD 材料 MoS2 集成，構(gòu)建了物理電介質(zhì)厚度為 3.4 nm、電等效氧化物厚度 (EOT) 約為 1 nm 的頂柵 nFET。

至于EUV，則可能是設(shè)計(jì)High NA EUV或者面向未來(lái)的Hyper NA EUV，在這里我們就不在討論，詳情可參考半導(dǎo)體行業(yè)觀察之前的文章《下一代EUV光刻機(jī)》。

臺(tái)積電在路線圖中還提到了Metal Oxide ESL、Self-Aligned Line w/Flexible Space和Low Damage/Hardening Low-k& Novel Cu Fill。關(guān)于上述技術(shù)，我們有了基本的了解，但未從相關(guān)檢索中看到有關(guān)資料。

但可以肯定的是，萬(wàn)億晶體管芯片正在前面等著我們，這一切都值得我們期待。