異質(zhì)整合大步向前　生態(tài)系建構(gòu)刻不容緩

先進(jìn)封裝技術(shù)的進(jìn)步，讓IC設(shè)計(jì)者得以將系統(tǒng)單晶片(SoC)裡整合的各種功能分拆成小晶片(Chiplet)，再藉由封裝技術(shù)將其整合成一顆元件。許多大廠(chǎng)都在近幾年大力擁抱這種異質(zhì)整合式的晶片設(shè)計(jì)概念，并在近幾年陸續(xù)將其運(yùn)用在自家產(chǎn)品上，因而讓Chiplet成為半導(dǎo)體業(yè)內(nèi)的熱門(mén)關(guān)鍵字之一。

但異質(zhì)整合概念的風(fēng)行，也讓半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)必須有所調(diào)整。異質(zhì)整合在理論上打破了晶片開(kāi)發(fā)者必須包辦所有設(shè)計(jì)整合工作的局面，一顆晶片裡可以包含來(lái)自不同供應(yīng)商的Chiplet，但事實(shí)上目前這種跨供應(yīng)商合作的案例仍非常罕見(jiàn)。

Chiplet成大勢(shì)所趨　壁壘依然存在

研究機(jī)構(gòu)TechSearch總裁Jan Vardaman指出，Chiplet不僅讓IC設(shè)計(jì)者可以更靈活地實(shí)現(xiàn)自己想要設(shè)計(jì)的晶片，同時(shí)也讓晶片製造的成本變得更便宜。因?yàn)椴煌δ?a class="article-link" target="_blank" href="/tag/%E7%94%B5%E8%B7%AF/">電路可選用最具性?xún)r(jià)比的製程技術(shù)來(lái)生產(chǎn)，不必全部採(cǎi)用最先進(jìn)製程。

由于Chiplet可以帶來(lái)更高的靈活性與更好的成本結(jié)構(gòu)，近幾年市場(chǎng)上出現(xiàn)許多採(cǎi)用Chiplet架構(gòu)的元件。但目前市場(chǎng)上的Chiplet產(chǎn)品，是各家大廠(chǎng)自行發(fā)展出來(lái)的成果，故目前半導(dǎo)體業(yè)內(nèi)存在多種不相通的Chiplet互連技術(shù)，導(dǎo)致Chiplet生態(tài)系呈現(xiàn)碎片化的局面。

事實(shí)上，為了實(shí)現(xiàn)基于Chiplet的晶片設(shè)計(jì)，許多領(lǐng)導(dǎo)大廠(chǎng)都已經(jīng)投入可觀資源來(lái)研發(fā)必要的底層技術(shù)。以Chiplet的互聯(lián)為例，超微(AMD)就已經(jīng)自行發(fā)展出名為Infinity Fabirc的獨(dú)家技術(shù)，臺(tái)積電也有自行研發(fā)的LIPINCON介面技術(shù)(圖1)。雖然這些大廠(chǎng)同時(shí)也都是UCIe標(biāo)準(zhǔn)的支持者與發(fā)起者，但這些業(yè)者會(huì)放棄辛苦累積的獨(dú)特技術(shù)，全面轉(zhuǎn)向開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)嗎？Vardaman對(duì)此持相對(duì)保留的態(tài)度。

圖1　臺(tái)積電與Arm聯(lián)合展示藉由LIPINCON介面連接，採(cǎi)用Chiplet架構(gòu)的處理器SoC

除了大廠(chǎng)自行研發(fā)的獨(dú)特技術(shù)外，其實(shí)業(yè)界很早就看出，Chiplet互聯(lián)的標(biāo)準(zhǔn)化將是推動(dòng)異質(zhì)整合向前邁進(jìn)的關(guān)鍵，因此在UCIe問(wèn)世之前，就已經(jīng)有Open Domain- Specific Architecture(OSDA)、Bunch of Wires(BoW)這些開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)存在，只是這些開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)不像UCIe，幾乎獲得所有大廠(chǎng)的一致支持。

因此，Vardaman認(rèn)為，以打破藩籬為訴求的UCIe標(biāo)準(zhǔn)，是Chiplet生態(tài)系一個(gè)重要的發(fā)展里程碑，但不會(huì)是所有問(wèn)題的解答。

產(chǎn)學(xué)強(qiáng)化交流方能協(xié)助Chiplet人才培育

除了大廠(chǎng)已經(jīng)投入研發(fā)的技術(shù)資產(chǎn)該如何繼續(xù)運(yùn)用外，由大廠(chǎng)帶頭攻堅(jiān)的異質(zhì)整合，相關(guān)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)該如何向外擴(kuò)散到學(xué)術(shù)界，讓學(xué)界可以早日展開(kāi)相關(guān)人才培育工作，也是攸關(guān)異質(zhì)整合未來(lái)發(fā)展的大事。

日月光院士既資深技術(shù)顧問(wèn)William Chen(Bill)就指出，要進(jìn)一步推動(dòng)Chiplet生態(tài)系發(fā)展的關(guān)鍵，在于如何將產(chǎn)業(yè)的研究成果轉(zhuǎn)移到教育體系。目前與Chiplet有關(guān)的設(shè)計(jì)方法、技術(shù)，都掌握在廠(chǎng)商手中，學(xué)生在教育體系裡面沒(méi)有機(jī)會(huì)接觸，導(dǎo)致熟悉Chiplet設(shè)計(jì)的人才養(yǎng)成相當(dāng)困難。

人才對(duì)于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，重要性自不待言。如果教育體系能培養(yǎng)出具有Chiplet基礎(chǔ)知識(shí)跟經(jīng)驗(yàn)的學(xué)生，對(duì)于異質(zhì)整合的發(fā)展，會(huì)有相當(dāng)大的幫助。

應(yīng)對(duì)IC設(shè)計(jì)典范轉(zhuǎn)移　EDA工具做足準(zhǔn)備

益華電腦(Cadence)研發(fā)副總裁Don Chan表示，對(duì)IC設(shè)計(jì)而言，大約每十年會(huì)出現(xiàn)一次重要的典范轉(zhuǎn)移，EDA工具的發(fā)展重心也隨之改變。2020年到2030年，將是3DIC跟異質(zhì)整合大放異彩的十年，作為協(xié)助IC設(shè)計(jì)者完成工作的EDA工具，自然也要為3DIC的設(shè)計(jì)流程做好準(zhǔn)備。

藉由將SoC解構(gòu)成Chiplet，再透過(guò)先進(jìn)封裝技術(shù)將其整合成一顆元件，IC設(shè)計(jì)者一直在追求的效能、功耗與面積(PPA)三大設(shè)計(jì)目標(biāo)，有了新的實(shí)現(xiàn)路徑。但這個(gè)趨勢(shì)也為IC設(shè)計(jì)者帶來(lái)新的挑戰(zhàn)，例如原本整合在SoC裡的功能應(yīng)該如何拆分、如何設(shè)計(jì)多顆Chiplet間的互連，以及晶片堆疊后最棘手的散熱問(wèn)題等。這些新挑戰(zhàn)都需要對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)流程、方法論與工具來(lái)支援。

Cadence資深副總裁暨數(shù)位與簽核事業(yè)群總經(jīng)理滕晉慶則指出，藉由Integrity 3DIC 的推出，目前該公司已經(jīng)有一套可以完整支援設(shè)計(jì)規(guī)畫(huà)、設(shè)計(jì)實(shí)作與分析、簽核的流程，能夠協(xié)助IC設(shè)計(jì)者完成3DIC的設(shè)計(jì)工作(圖2)。這是Cadence獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)所在，因?yàn)槠渌鸈DA工具業(yè)者大多只能為某幾項(xiàng)特定流程提供工具，無(wú)法搭建出涵蓋全流程的工具平臺(tái)。

圖2　針對(duì)3DIC設(shè)計(jì)，Cadence已能提供涵蓋全流程的工具平臺(tái)

但滕晉慶也預(yù)期，客戶(hù)的需求不會(huì)一直停留在現(xiàn)狀，未來(lái)客戶(hù)一定會(huì)要求更多先進(jìn)功能，例如更強(qiáng)大的設(shè)計(jì)分割(Design Partitioning)工具。此外，3DIC也改變了IC腳位配置(Pin Assignment)的規(guī)則，傳統(tǒng)的IC腳位配置都集中在晶片的四周，但在3DIC時(shí)代，除了晶片四周外，還會(huì)有大量垂直方向的互聯(lián)腳位。IC設(shè)計(jì)者肯定會(huì)需要更好的工具來(lái)因應(yīng)日益複雜的工作。

搶搭Chiplet風(fēng)潮　中國(guó)臺(tái)灣IC設(shè)計(jì)產(chǎn)業(yè)急起直追

雖然國(guó)際大廠(chǎng)導(dǎo)入Chiplet的進(jìn)展速度居于領(lǐng)先地位，但這個(gè)中國(guó)臺(tái)灣的IC設(shè)計(jì)產(chǎn)業(yè)也已經(jīng)開(kāi)始嘗試開(kāi)發(fā)基于Chiplet的新產(chǎn)品。

聯(lián)發(fā)科製造營(yíng)運(yùn)副總經(jīng)理高學(xué)武就指出，對(duì)IC設(shè)計(jì)者而言，Chiplet最有趣，也最有價(jià)值的地方在于，這個(gè)概念讓IC設(shè)計(jì)變得像在調(diào)雞尾酒，只要調(diào)和不同的素材，就能實(shí)現(xiàn)出獨(dú)特的產(chǎn)品。

另一方面，市場(chǎng)對(duì)下一代產(chǎn)品的要求越來(lái)越高，一顆晶片上的電晶體預(yù)算卻受到光罩尺寸的限制，加上摩爾定律趨緩，使得聯(lián)發(fā)科很難光靠製程微縮來(lái)滿(mǎn)足客戶(hù)對(duì)下一代晶片的功能跟性能要求。因此，藉由設(shè)計(jì)分割，把客戶(hù)期望的功能分成多顆晶片來(lái)實(shí)現(xiàn)，再透過(guò)先進(jìn)封裝技術(shù)整合成一顆元件，是最好的解法。

而在聯(lián)發(fā)科研發(fā)Chiplet的過(guò)程中也發(fā)現(xiàn)，設(shè)計(jì)分割確實(shí)可以帶來(lái)節(jié)省成本的效果。因?yàn)橛胁糠止δ芸梢杂幂^成熟、性?xún)r(jià)比更高的製程來(lái)實(shí)作，而且個(gè)別晶片的面積也變小了，讓聯(lián)發(fā)科得到更漂亮的良率數(shù)字。

事實(shí)上，一顆SoC裡面，有很多功能區(qū)塊是無(wú)法從採(cǎi)用先進(jìn)製程裡獲得好處的，例如類(lèi)比區(qū)塊、SRAM、I/O，這些區(qū)塊用比較成熟的製程節(jié)點(diǎn)，例如N-1節(jié)點(diǎn)製造，不僅性能不會(huì)受到太大影響，成本效益也好。不過(guò)，對(duì)于追求極致性能的產(chǎn)品，SoC還是會(huì)有比較好的優(yōu)勢(shì)，畢竟Chiplet之間的通訊頻寬還是有瓶頸存在。所以，IC設(shè)計(jì)者必須在性能跟成本之間做出正確的權(quán)衡。

高學(xué)武透露，目前在聯(lián)發(fā)科的產(chǎn)品線(xiàn)裡面，針對(duì)高效能運(yùn)算應(yīng)用所設(shè)計(jì)的晶片，已經(jīng)採(cǎi)用了Chiplet架構(gòu)，因?yàn)檫@類(lèi)晶片的尺寸實(shí)在太過(guò)巨大，往往超過(guò)200平方公釐，更需要透過(guò)設(shè)計(jì)分割來(lái)讓成本最佳化；在智慧型手機(jī)處理器方面，未來(lái)聯(lián)發(fā)科應(yīng)該也會(huì)一部分產(chǎn)品由SoC轉(zhuǎn)向Chiplet，畢竟有些手機(jī)處理器SoC的尺寸也超過(guò)100平方公釐，再考量到先進(jìn)製程的成熟度，其成本是相當(dāng)可觀的。

從高學(xué)武的分享，或許我們即將在2023年看到中國(guó)臺(tái)灣IC設(shè)計(jì)產(chǎn)業(yè)在Chiplet的導(dǎo)入速度上急起直追，不再讓國(guó)際大廠(chǎng)專(zhuān)美于前。

臺(tái)積電積極建構(gòu)3DIC生態(tài)系

晶圓代工龍頭臺(tái)積電，近年來(lái)在3DIC 領(lǐng)域也是動(dòng)作不斷。在該公司的2022開(kāi)放創(chuàng)新平臺(tái)生態(tài)系統(tǒng)論壇上，臺(tái)積電宣布將成立開(kāi)放創(chuàng)新平臺(tái)(OIP)3DFabric聯(lián)盟。此3DFabric聯(lián)盟是臺(tái)積公司的第六個(gè)OIP 聯(lián)盟，也是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中第一個(gè)與合作伙伴攜手加速創(chuàng)新及完備3DIC生態(tài)系統(tǒng)的聯(lián)盟，提供最佳的全方位解決方案與服務(wù)以支援半導(dǎo)體設(shè)計(jì)、記憶體模組、基板技術(shù)、測(cè)試、製造及封裝。

臺(tái)積電科技院士/設(shè)計(jì)暨技術(shù)平臺(tái)副總經(jīng)理魯立忠博士表示，3D晶片堆疊及先進(jìn)封裝技術(shù)為晶片級(jí)與系統(tǒng)級(jí)創(chuàng)新開(kāi)啟了一個(gè)新時(shí)代，同時(shí)也需要廣泛的生態(tài)系統(tǒng)合作，以協(xié)助設(shè)計(jì)人員透過(guò)各種選擇及方法尋找出最佳途徑。在臺(tái)積電與生態(tài)系統(tǒng)合作伙伴共同引領(lǐng)之下，3DFabric聯(lián)盟為客戶(hù)提供了簡(jiǎn)單且靈活的方式，為其設(shè)計(jì)釋放3DIC的力量。

從臺(tái)積電積極建構(gòu)涵蓋價(jià)值鏈各方成員的生態(tài)系統(tǒng)，不難看出臺(tái)積電想藉由提供完整方案，成為協(xié)助客戶(hù)快速實(shí)現(xiàn)3DIC設(shè)計(jì)的賦能者(Enabler)，進(jìn)而在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)優(yōu)勢(shì)的意圖。而隨著臺(tái)積電登高一呼，眾多生態(tài)系成員紛紛加入的情況來(lái)看，我們肯定能在2023年看到更多晶片商推出基于Chiplet、3DIC這類(lèi)概念所設(shè)計(jì)出的新產(chǎn)品。