2018年的半導體芯片產業(yè)面貌如何？異質整合藍圖即將揭曉

在25年的時間內，當Facebook、Google與Amazon透過自己設計芯片稱霸全球市場之后，半導體產業(yè)的面貌會有什么變化？在某種程度上，我們已經看到未來、而且它已經發(fā)生：大數(shù)據(jù)分析、人工智能（AI）、擴增/虛擬實境（AR/VR）、自動駕駛車輛等新技術已經問世──雖然未臻完美之境。

盡管如此，大多數(shù)芯片設計工程師甚至無法想像那樣一個大無畏的新世界，更別說那些他們必須保持在流行前線的創(chuàng)新發(fā)明；但讓工程師們頭痛的一個問題是，產業(yè)發(fā)展的方向全然不確定。隨著摩爾定律（Moore’s Law）接近“經濟上的死角”，對大多數(shù)芯片供應商（除非是Intel或Samsung等大廠）來說，該轉往其他哪個方向？

2016年7月，半導體產業(yè)協(xié)會（SIA）發(fā)表最后一期的國際半導體技術藍圖（ITRS）報告（參考連結），這意味著產業(yè)界已經承認摩爾定律不只是速度趨緩，而是產業(yè)界需要新的工具、統(tǒng)計圖表與程序，來定義技術研發(fā)之間的差距所在，以及在這個連結性更強的世界該何去何從。這也是***IC設計公司鈺創(chuàng)（Etron）創(chuàng)辦人、董事長暨執(zhí)行長盧超群（Nicky Lu）要出力的地方。

鈺創(chuàng)（Etron）創(chuàng)辦人、董事長暨執(zhí)行長盧超群（Nicky Lu）

盧超群一直在提倡“異質整合”（heterogeneous integration，HI），他推廣這個概念是因為半導體產業(yè)至少必須要脫離對制程節(jié)點微縮的癡迷；為了取得成長動力，產業(yè)界必須以“不同技術的異質整合”來創(chuàng)新。

不過盧超群所提倡的HI并非異質整合SoC、系統(tǒng)級封裝（SiP）或多芯片模組（MCM），而是一種“整體化（holistically）的整合性解決方案”，牽涉系統(tǒng)設計、演算法與軟體，結合不同的矽元件如SoC、DRAM、快閃存儲器、ADC/DAC、電源管理、安全芯片，以及可靠性控制元件。

到目前為止，芯片產業(yè)在SiP技術領域已經有大幅度的進展；盧超群表示：“在2018年的現(xiàn)在，我已經看到市場對于更復雜HI的需求，實際上不只整合矽芯片，還包括非矽材料?！?/p>

HI背后的三個IEEE學會

電子測試業(yè)者3MTS （Third Millennium Test Solutions）董事長Bill Bottoms表示，訂定“異質整合藍圖（Heterogeneous Integration Roadmap，HIR）的基礎工作在2015年展開，當時SIA與一個IEEE學會簽署了合作備忘錄，由Bottooms以及日月光（ASE）的院士William Chen擔任HIR委員會的共同主席。

2016年，HIR獲得三個IEEE學會的正式贊助，包括電子封裝學會（Electronics Packaging Society，EPS）、電子元件學會（Electronic Devices Society，EDS）以及光子學會（Photonics Society）；國際半導體產業(yè)協(xié)會（SEMI）以及美國機械工程師學會（American Society of Mechanical Engineers，ASME）的電子與光子封裝分會（Electronic and Photonic Packaging Division，EPPD）也加入了HIR訂定工作。

從去年開始一切步入正軌。隨著HIR委員會在世界各地舉辦研討會宣傳其使命，“總共有接近1，000位科學家、研究人員與資深工程師出席我們的活動并承諾參與HIR；”Bottoms表示，在委員會成員方面，“我們致力于將標準品質維持非常高的水準，我們只選擇那些擁有技術證照，并且真正愿意為每個技術工作小組貢獻力量的人?！?/p>

Bottoms解釋，一般只是想吸收資訊的市場旁觀者不會被委員會接納；他所定義的HIR委員會任務范圍是：“定義我們需要克服的困難挑戰(zhàn)，以因應未來15年、25年新興研究領域之技術需求?！彼赋?，該組織正在開發(fā)一個“競爭前期”（pre-competitive）藍圖，而集中產業(yè)界資源去規(guī)劃未來，會比多頭馬車各自努力更有效率。

HIR委員會將具潛力的首要整合技術解決方案視為“復雜的SiP結構”。Bottoms表示，在很多方面，產業(yè)界開始關注將矽元件與非矽材料整合在單一封裝中的產品；“一個很好的HI案例是Intel的光子光學收發(fā)器（photonics optical transceivers），”他解釋，Intel以矽晶圓平面制造技術支援電-光收發(fā)器的量產。

另一個案例是Apple Watch 2采用之第二代SiP技術“S2”；與第一代技術S1一樣，該SiP模組在一個模組中混合了不同封裝形式，包含能以裸晶堆疊的零組件（例如CSP、WLP等封裝）、傳統(tǒng)的打線封裝，甚至是層疊封裝（package-on-package）等多芯片的配置，或是多芯片堆疊的DRAM、NAND快閃存儲器。

Bottoms表示：“Apple到目前為止已經將SiP概念推向未來──這是一條前人未走過的路?！比?a href="http://www.ttokpm.com/v/tag/899/" target="_blank">拆解分析機構TechInsights的Apple Watch 2拆解報告寫道：“S2封裝內含超過42顆芯片！在這種小型封裝中有非常多芯片。”對于S2內部的98個互連，Bottoms表示驚嘆。

對盧超群來說，沒有其他事情比看到HI幕后勢力漸長更讓他開心；他接受EE Times訪問時表示，異質整合不再只是他自己一頭熱，而是已經廣布于電子產品。

在今年稍早，盧超群于一場在美國矽谷舉行的IEEE會議上發(fā)表題為“透過異質整合技術實現(xiàn)的AI與Silicon 4.0時代協(xié)同成長”（Synergistic Growth of AI and Silicon Age 4.0 through Heterogeneous Integration of Technologies）的演說；他表示：“有很多人在聽了我的演講后來找我，他們都非常興奮?！?/p>

為何那些人如此興奮？盧超群的演說并非關于異質整合技術細節(jié)，而是將焦點集中在擴大半導體產業(yè)的研發(fā)范圍。現(xiàn)在芯片產業(yè)已經不再押注制程的持續(xù)微縮，他認為產業(yè)界可以將知識應用于更大的任務，而下一步是在跨不同領域的產業(yè)實現(xiàn)“普適智能”（pervasive intelligence），從AI、人類、自然界到生物、細胞、細菌以及醫(yī)療智能。

盧超群解釋，探討下一代AI芯片的最佳化設計是一回事，人人都在做；但如果產業(yè)界需要能延伸至未來25年的“技術藍圖”，最好要開始著墨普適智能。在進一步了解盧超群所定義的普適智能之前，得先了解他對異質整合的興趣是如何演變而來…

鈺創(chuàng)（Etron）創(chuàng)辦人、董事長暨執(zhí)行長盧超群（Nicky Lu）在***出生、受教育，后來赴美深造取得史丹佛大學（Stanford University）的電子工程碩士與博士學位；IBM Research是他職業(yè)生涯的起點，最為人所知的是他參與發(fā)明了3D-DRAM技術，以及開發(fā)了高速CMOS DRAM （HSDRAM）。

數(shù)十年來，這位技術高手用他具感染力的微笑與熱情的態(tài)度，在半導體產業(yè)界成為說話有份量的人物。盧超群從他在2004年的國際固態(tài)電路會議（ISSCC）發(fā)表關于異質整合（HI）的演說之后，就一直致力提倡這個概念；他在演說中指出：“未來的系統(tǒng)芯片將會完全利用在單一封裝中的多維整合，內含的多芯片包括各種數(shù)位、類比、存儲器與RF功能及技術?！?/p>

盧超群當時對3D IC時代即將來臨的預測被認為是大膽的想法；在芯片世界大部份還是依循摩爾定律（Moore’s Law）──唯一原則就是電晶體持續(xù)微縮──的那個時候，他希望可以證明芯片的垂直整合能實現(xiàn)的成果。

封裝技術的進展

時間快速前進到2018年，現(xiàn)在可以很公正地說系統(tǒng)級封裝（SiP）時代已經來臨，至于摩爾定律氣數(shù)已盡的說法則是被夸大了。

現(xiàn)今的芯片封裝技術與2004年那時候相較，已經有非常顯著的進步；臺積電（TSMC）所開發(fā)的整合扇出式（InFO）晶圓級封裝技術，讓Apple得以用非常薄的層疊封裝（package-on-package，PoP），結合大量的I/O焊墊以及為iPhone 7的應用處理器A10提供更佳的散熱管理。

InFO平臺的重分布層（re-distributed layer）技術將矽芯片直接與PCB連結，不需要額外的基板；盧超群表示，臺積電設計的直通互連通孔（Through Interconnect Via，TIV）能“利用混合性的垂直與水平互連技術，提供支柱以連結不同的芯片或零組件；”InFO證實了其短垂直連結與長水平之間的鏈路，能加速資訊傳輸。

臺積電的InFO技術結構

對于異質整合技術的未來，盧超群充滿希望；他指出，臺積電以3D晶圓為基礎的系統(tǒng)整合──包括CoWos （chip-on-wafer-on-substrate）與InFO──是非常棒的例子，因為展示了如何實現(xiàn)另一種等級的微系統(tǒng)性能與堆疊。

而促使臺積電實現(xiàn)InFO技術突破的，是Apple而非其他傳統(tǒng)芯片業(yè)者；盧超群認為，從Apple的A10處理器與Apple Watch 2采用的第二代SiP技術這些例子可以看出，芯片產業(yè)必須要看得更遠，必須要努力挖掘那些不只是芯片供應商同業(yè)、還有其他產業(yè)所熱烈追求的“智能”解決方案。

盧超群相信，異質整合技術藍圖（HIR）不但會成為芯片業(yè)者的動力，“其他正在尋找新應用的產業(yè)，也能因為以IC為中心的系統(tǒng)解決方案而添加更多價值?！?/p>

把蛋白質當硬件、DNA當軟件

今年2月，盧超群在HIR會議上發(fā)表的演說激勵了許多人，因為他將HI概念延伸到更長遠的未來；他以“細胞智能”（cell intelligence）為例，說明電子產業(yè)的專長能如何被利用。

“試想把蛋白質當作硬體，DNA則是在上面執(zhí)行的軟體；”他指的是所謂的合成生物電路（synthetic biological circuits），在細胞內的生物性元件被設計為執(zhí)行模仿電子電路的邏輯功能。盧超群的公子盧冠達（Timothy Lu）就專注于細胞療法研究；他為吹噓自己兒子的成就道歉，但強調打造全新的基因電路已經不只是夢想。

盧冠達是美國麻省理工學院（MIT）的生物工程、電子工程與電腦科學副教授，也創(chuàng)立了一家合成生物學公司Senti Bio，這家新創(chuàng)公司在今年稍早的A輪募資中籌得5，300萬美元資金。盧冠達最近接受生物工程專業(yè)媒體Symbiobeta訪問時表示，他的公司“專注于利用合成生物學工具來打造下一代的細胞與基因治療法，具備適應、感測與回應能力，而且比現(xiàn)有的細胞與基因療法具備更廣泛的效應?！?/p>

他也提及從不同的實驗室導入最先進的技術：“整體來說，那些實驗室已經展現(xiàn)了能以多輸入多輸出（MIMO）類型的系統(tǒng)，來編程復雜精密的邏輯。”

用于癌癥免疫療法（Cancer Immunotherapy）的合成RNA免疫療法基因電路

其他“無所不在的智能”案例，還包括一種外觀像藥丸，其實是以異質整合技術制作的小型光學元件；盧超群表示，當病患吞下這種藥丸，它就會扮演在人體內收集資料以及提供情報的微型電腦。生活智能是另一個智能技術能發(fā)揮的領域，他指出，AI也可以與食材融合，用來監(jiān)測它們的“健康情況”。

此外還有“微生物群”（Microbiome），也就是所有生活在人體的微生物；盧超群再次為吹噓自己兒子的研究抱歉，表示現(xiàn)在鎖定人體微生物群的療法正在迅速發(fā)展。盧冠達在一本題為《打造人類健康應用之微生物群》（Engineering the Microbiome for Human Health Applications）的共同著作書籍中就提到，微生物群療法可能構建出“臨床相關的生物感測器，實現(xiàn)能在人體中作用的強韌、有效之合成基因電路。”

雖然生物科學領域聽起來很有趣，我們還是得打斷盧超群，問他：那么半導體產業(yè)在這類“普適智能”（pervasive intelligence）世界中的研發(fā)專案，能提供那些實質性的優(yōu)勢？

盧超群的回答是：“我們在運算領域學到的知識、專長與理論至關重要，而且可以轉移到其他領域；他反問：“矽芯片技術教了我們什么？”他說，是教了我們如何把東西做得更小，而且以更快的速度計算資料。

芯片產業(yè)微縮制成的奧妙，現(xiàn)在可以用以打造人工智能、物聯(lián)網以及生物應用的納米級模組；盧超群看好產業(yè)界能夠生產應用導向的HI納米系統(tǒng)：“我們能借由最佳化物理學、材料、元件、電路/芯片、軟體與系統(tǒng)來實現(xiàn)這個目標?！?/p>

異質整合藍圖即將揭曉

HIR委員會準備在今年7月的SEMICON West發(fā)表現(xiàn)有工作成果，委員會旗下的22個技術工作小組正各自為HIR技術文件撰寫一個章節(jié)，以進行同儕審查、編輯與定稿，然后在會議上發(fā)表。HIR委員會共同主席Bill Bottoms表示，該技術文件將會在7月發(fā)表，并在SEMICON West之后不久上網。

擁有22個章節(jié)的HIR技術文件，將涵蓋HI的市場應用、HI元件、設計（包括共同設計與模擬軟體、工具與實作等），以及像是材料與諸如與SiP、3D+2.5D與WLP （扇入與扇出）等技術的互連、整合程序等交叉議題。

Bottoms指出，散熱管理與安全性是兩個后來補充的議題，HIR委員會的成員認為它們很重要，而且相關發(fā)現(xiàn)能讓所有技術工作小組獲益。他指出，散熱管理小組是由來自Google的代表所領導；而他也再次強調HIR獲得產業(yè)界領導廠商的大力支持：“很多Intel、Google與IBM的資深人士都是活躍成員?！?/p>

除了HIR，產業(yè)界還有兩個組織在推動后ITRS技術藍圖，包括IEEE標準協(xié)會（Standards Association）支持、與重啟運算計劃（Rebooting Computing Initiative）相關的IRDS （International Technology Roadmap for Devices and Systems）；還有ITRW （International Technology Roadmap for Wide Band-Gap Semiconductors），是IEEE電力電子學會（Power Electronics Society）所贊助。

并沒有哪一個組織說自己比人家厲害，而且Bottoms強調：“這些藍圖從三個各自技術領域的有利位置看未來，他們能以各自協(xié)調的復雜性彼此互補，替電子產業(yè)的未來提供多維觀點?！?/p>

從ITRS到HIR

而這一切也衍生了一個問題：為何電子產業(yè)很愛制定“藍圖”？大家都被摩爾定律洗腦了嗎？該定律也確實讓產業(yè)界的每個人都以相同的曲調起舞，讓產品與研發(fā)計劃跟上腳步。Bottoms則認為，擁有藍圖甚至能讓異質整合的潛力更充分發(fā)揮。

他在一份與HIR委員會共同主席、ASE院士William Chen共同撰寫的技術論文中指出，技術藍圖能指導“專家、產業(yè)界、學術界與政府有足夠的準備時間定義關鍵技術挑戰(zhàn)，使得那些挑戰(zhàn)不會成為電子技術進展過程以及在不同產業(yè)中擴展應用版圖時的障礙；”他們的結論是：“我們的目標是激勵研發(fā)創(chuàng)新與跨生態(tài)系統(tǒng)的合作，以期實現(xiàn)未來愿景的過程一路順暢”