芯片成品制造創(chuàng)新推動微系統(tǒng)集成發(fā)展，產(chǎn)業(yè)加速向AI滲透

基于大語言模型的人工智能（AI）技術(shù)在過去十幾個月的時間里呈現(xiàn)出爆發(fā)式發(fā)展，全球已有多家企業(yè)向公眾開放其大模型產(chǎn)品，并且不乏多模態(tài)、內(nèi)容生成等進階應用。然而，算力需求和部署速度之間的落差仍是推進生成式AI應用落地的主要障礙之一。據(jù)測算，從小模型發(fā)展到大模型，10年間AI對算力的需求提升了40萬倍——這一增長速度遠超摩爾定律。許多處于全球前列的半導體企業(yè)，都在致力于探索新的創(chuàng)新路徑。

不久前舉辦的華美半導體協(xié)會（CASPA）2023年年會，也將主題放在了半導體如何賦能AI發(fā)展。筆者注意到包括英偉達首席執(zhí)行官黃仁勛、長電科技首席執(zhí)行長鄭力等眾多全球半導體知名企業(yè)高管，在論壇上圍繞上述主題進行了深入探討，從設(shè)計、晶圓制造、封測、產(chǎn)業(yè)鏈合作等角度，闡述了各自的觀點。封測作為后摩爾時代承載半導體產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新的重要環(huán)節(jié)，備受整個產(chǎn)業(yè)的關(guān)注。作為封測環(huán)節(jié)的代表，鄭力在論壇發(fā)言中表示，以異構(gòu)異質(zhì)、高密度互連為主要特征的高性能封裝技術(shù)，將為半導體在人工智能領(lǐng)域的應用提供無限機會。

芯片成品制造承載集成電路產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新

戈登·摩爾在其定義摩爾定律的文章中，除了預測晶體管數(shù)目指數(shù)級增長，還預測了可以用小芯片封裝組成大系統(tǒng)的集成電路未來技術(shù)發(fā)展方向。只不過在之后半個多世紀中晶體管密度的性能增長方式總體上暢行無阻，系統(tǒng)集成并未被當作主攻方向。

而當步入“后摩爾時代”，晶體管微縮集成逼近物理極限，并且由此帶來的研發(fā)、制造成本已經(jīng)超出了摩爾定律所定義的比率，這也直接引發(fā)了AI所需高算力的成本顯著上升。

此時，摩爾定律中提到的微系統(tǒng)集成，給產(chǎn)業(yè)帶來轉(zhuǎn)換創(chuàng)新賽道的機會。

從晶體管微縮，到微系統(tǒng)集成，意味著最主要的創(chuàng)新環(huán)節(jié)從晶圓制造向后道成品制造轉(zhuǎn)移——這一轉(zhuǎn)變事實上正在發(fā)生。長電科技首席執(zhí)行長鄭力在此次CASPA 2023年年會上也談到了生成式人工智能（AIGC）所采用的芯片特點。他提到：“AIGC所使用的核心芯片，現(xiàn)在專注于微系統(tǒng)級與Chiplet結(jié)構(gòu)，而不僅僅是晶體管制程，越來越多的半導體創(chuàng)新基于微系統(tǒng)集成，而微系統(tǒng)集成由高性能先進封裝提供支持?！?/p>

這一觀點也揭示了微系統(tǒng)集成的創(chuàng)新關(guān)鍵，即高性能先進封裝領(lǐng)域的創(chuàng)新，是微系統(tǒng)集成實現(xiàn)發(fā)展的關(guān)鍵路徑。近兩年全球頭部晶圓制造企業(yè)和后道成品制造企業(yè)，紛紛加碼Chiplet等異構(gòu)異質(zhì)集成封裝的研發(fā)制造，原因也正在于此。

高性能封裝創(chuàng)新破解算力困局

高性能計算（HPC）為大模型開發(fā)和訓練提供核心的算力，是集成電路創(chuàng)新以解放AI潛力的最重要場景之一。目前行業(yè)主要通過將芯片成品制造環(huán)節(jié)向2.5D/3D高性能封裝發(fā)展，來實現(xiàn)更高密度的小芯片集成和更高的微系統(tǒng)內(nèi)互連速度，以便在穩(wěn)控成本的同時提升芯片微系統(tǒng)的整體性能表現(xiàn)。

對于微系統(tǒng)創(chuàng)新，那些封裝技術(shù)類型齊全，具有技術(shù)產(chǎn)品優(yōu)勢的封測企業(yè)，更容易整合技術(shù)儲備，提供從單個功能模塊到整體封裝互連的解決方案。筆者了解到，長電科技正是因為在多種先進封裝類型上都擁有豐富的技術(shù)積累和研發(fā)制造經(jīng)驗，因此其打造的系統(tǒng)級、一站式高性能計算芯片封測解決方案可全面覆蓋HPC系統(tǒng)基礎(chǔ)架構(gòu)中采用多種封裝技術(shù)的各個模塊。

計算模塊方面，長電科技推出了Chiplet架構(gòu)的XDFOI系列工藝，可提供多層極高密度走線和極窄節(jié)距凸塊互連接，集成多顆裸片、高帶寬內(nèi)存（HBM）和無源器件，在優(yōu)化成本的同時實現(xiàn)更好的性能及可靠性；對于存儲模塊，長電科技可提供16顆堆疊3D NAND存儲器封裝、基于UFS的多芯片封裝等技術(shù)，可實現(xiàn)超薄芯片封裝，助力系統(tǒng)的小型化。這兩種模塊還可利用2.5D/3D高性能異構(gòu)異質(zhì)集成封裝技術(shù)實現(xiàn)“存算一體”，進一步提高算力。

對于電源模塊，長電科技的產(chǎn)品已經(jīng)覆蓋碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）等新材料功率器件，在散熱和可靠性上擁有多項專利技術(shù)。長電科技還與國內(nèi)外客戶就光電合封（CPO）進行了技術(shù)合作，將解決方案擴展至數(shù)據(jù)中心的高速數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡模塊，滿足HPC場景所需。

另外長電科技在高密度SiP封裝領(lǐng)域的優(yōu)勢與經(jīng)驗，也能對未來應對人工智能驅(qū)動下的多種邊緣計算場景提供支持。

重塑集成電路產(chǎn)業(yè)協(xié)作方式

半導體發(fā)展到高性能封裝帶動微系統(tǒng)創(chuàng)新這一階段，產(chǎn)業(yè)鏈的合作方式也在發(fā)生改變。例如，應用場景需求對芯片成品制造的驅(qū)動作用更加顯著，相應地，企業(yè)也更加注重以具體解決方案為核心的產(chǎn)品開發(fā)機制。像長電科技打造HPC解決方案就是這一變化的典型體現(xiàn)。

不僅應用側(cè)與后道成品制造的聯(lián)系愈發(fā)緊密，后道與前道的關(guān)系也發(fā)生改變。協(xié)同設(shè)計、協(xié)同制造在行業(yè)中的比重增加，整個產(chǎn)業(yè)鏈的協(xié)作模式將從線性轉(zhuǎn)向融合。

這些變化，推動半導體行業(yè)的創(chuàng)新方法論迭代。例如今年鄭力曾在多個場合提到系統(tǒng)/技術(shù)協(xié)同優(yōu)化（STCO）。他指出，STCO將成為未來高性能芯片開發(fā)的主要方式?！癝TCO對于人們開發(fā)像Chiplet這樣具有微系統(tǒng)級集成的產(chǎn)品變得越來越重要。通過在系統(tǒng)層面對芯片架構(gòu)進行分割及再集成，以高性能封裝為載體，芯片設(shè)計師、晶圓工程師，封裝工程師和軟工程師共同設(shè)計一個AI芯片，協(xié)同優(yōu)化芯片產(chǎn)品性能?！?/p>

作為AI基礎(chǔ)設(shè)施的提供者，集成電路在性能及成本上的任何創(chuàng)新，都可能為前者帶來巨大成長空間。同時AI的發(fā)展和普及，也為集成電路乃至整個半導體行業(yè)帶來新的市場增量。高性能封裝作為微系統(tǒng)集成創(chuàng)新的有力推手，在未來勢必引發(fā)更多關(guān)注和各方投入，其發(fā)展前景值得期待。

審核編輯 黃宇