集成電路(IC) 發(fā)明至今已有50多年，自1991年問世以來，國際半導(dǎo)體技術(shù)藍(lán)圖(International Technology Roadmap for Semiconductors，ITRS) 一直是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)往前邁進的指南，藍(lán)圖預(yù)測半導(dǎo)體技術(shù)會遵循摩爾定律(Moore's Law) 的縮放節(jié)奏邁進。不過，在2016年7月ITRS所釋出的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)「未來藍(lán)圖」報告顯示，估計微處理器中的晶體管體積將在2021 年開始停止縮小，這意味著微處理器中的晶體管數(shù)量將不會再如摩爾定律所說的會逐步增加，也就是說摩爾定律已宣告死亡。隨著摩爾定律的死亡，國際半導(dǎo)體技術(shù)藍(lán)圖ITRS也將步入歷史。取而代之的，將是異構(gòu)整合藍(lán)圖(Heterogeneous Integration Roadmap，HIR)。

雖然芯片設(shè)計和制程技術(shù)的創(chuàng)新仍然繼續(xù)，但進展已明顯趨緩，不管制程技術(shù)下殺到多少微米，芯片尺寸的縮減似乎已到了極限，更遑論同時要增加密度以提升性能。圖1及圖2是Alphabet的總裁John Hennessy 于2018 年7 月ERI會議中展示的兩張圖表。圖1顯示了40年間的DRAM的容量和密度增長放緩的情況;而圖2則顯示了40年間的CPU運算性能變化，明顯看出在近年成長已趨于平穩(wěn)。

圖1. 40年間的DRAM的容量和密度增長放緩的情況(資料來源：J Hennessy, ERI Conf July 2018)

半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)協(xié)會(SIA) 于2016年7月正式宣告ITRS國際半導(dǎo)體技術(shù)藍(lán)圖時代的結(jié)束。其后SIA 和SRC (半導(dǎo)體研究公司，Semiconductor Research Corporation)于2017 年3 月聯(lián)合發(fā)表了名為《半導(dǎo)體研究機會：產(chǎn)業(yè)愿景和指南》報告(Semiconductor Research Opportunities：An Industry Vision and Guide)。報告中指出：「前進的道路并不像摩爾定律時代那樣清晰，然而，巨大的經(jīng)濟和社會效益潛力— 其中一些是可以預(yù)見的，但有一些只能想像…… 在這個關(guān)鍵點上，需要產(chǎn)業(yè)界、政府和學(xué)術(shù)界攜手合作，才能持續(xù)進步成長?！?/p>

圖2. 40年間的CPU運算性能成長，近年已趨緩(資料來源：J Hennessy, ERI Conf July 2018)

應(yīng)用及市場需求帶動

在今天，電子產(chǎn)品已深深融入我們的社會結(jié)構(gòu)，改變著我們的生活、工作和娛樂方式，讓我們生活在數(shù)位時代，為我們的全球生活方式、產(chǎn)業(yè)和商業(yè)行為帶來高新的效率。而這種效率的達(dá)成主要歸功于高效能運算芯片的產(chǎn)出。另一方面，大數(shù)據(jù)的形成則推動了市場需求，從而形成了技術(shù)研發(fā)的驅(qū)動力。

在現(xiàn)實層面，推動數(shù)據(jù)增長的市場力量包括：

將數(shù)據(jù)、邏輯和應(yīng)用程序轉(zhuǎn)移到云端

社交媒體的推波助瀾

行動設(shè)備的演變

5G/6G 通信加上物聯(lián)網(wǎng)(IoT)帶動

人工智能(AI)、虛擬現(xiàn)實(VR)及增強現(xiàn)實(AR)的應(yīng)用

自動駕駛汽車的興起及日漸普及

異構(gòu)整合興起

雖然制程技術(shù)的演進已漸漸無法滿足芯片「體積縮小性能提升」的無止境需求，但需求并沒有消失，因此，人們開始往構(gòu)裝技術(shù)動腦筋。

異構(gòu)整合是指將單獨制造的「組件」整合到更高層次的組裝(系統(tǒng)級封裝- System in a Package，SiP)，以使整體性能提升。系統(tǒng)級封裝不是隨便將兩個芯片封裝在一起就可以，而是必須滿足下列條件才行：

封裝后體積必須變小：將不同功能的芯片與被動元件封裝成一顆IC，所以封裝后體積必定比個別數(shù)顆IC還小。

須整合不同類型的封裝技術(shù)：必須將數(shù)種不同類型的封裝技術(shù)整合在一起，與單純將多個芯片封裝在一起的小型封裝技術(shù)不同。

必須包含各種類型的主動與被動元件：必須包含處理器、記憶體、邏輯元件、類比元件等數(shù)個芯片，甚至必須將被動元件、連接器、天線等一起封裝進去。

在異構(gòu)整合的定義中，「組件」指的是任何單元，無論是單顆芯片、MEMS器件、被動元件和組裝的封裝或子系統(tǒng)，都整合在一個封裝中。當(dāng)中可以涉及到材料、元件類型、電路類型、節(jié)點、互連方法……等等。

圖3. 異構(gòu)整合(圖左) 及系統(tǒng)級封裝(圖右) (資料來源：日月光半導(dǎo)體)

大廠紛紛投入

在芯片堆疊密度增長及多芯片整合的需求下，大廠紛紛投入先進封裝技術(shù)的發(fā)展。其中又以運算芯片制程大廠Intel、TSMC及Samsung的投入最為理所當(dāng)然。這些大廠將其先進制程技術(shù)所產(chǎn)出的芯片配合自家的先進封裝，來完成客戶的產(chǎn)品;而封測大廠日月光則是從本身的封裝技術(shù)出發(fā)，慢慢發(fā)展出2.5D及3D之先進封裝技術(shù)(圖2)。

從圖2可見，整體來看，TSMC目前是站在比較領(lǐng)先的地位，從2.5D到3D封裝都有相當(dāng)完整的技術(shù)。另一方面，Intel的Foveros及EMIB也逐漸形成了一個平臺。

由于先進封裝要求的技術(shù)很高，因此很多大廠也相應(yīng)的在這方面投入很高的資本支出。從圖3可見，2022年的資本支出已達(dá)到10 ~ 40億的等級。目前各大廠都有本身的技術(shù)平臺，而最近產(chǎn)出的新產(chǎn)品也不少。

而其中一個于2022年最重要的動態(tài)是Intel于2022年3月邀請了臺積電、Samsung、AMD、Microsoft、Google、日月光等大廠共同組成及推動UCIe小芯片聯(lián)盟，有助于小芯片(Chiplet)資料傳輸架構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化;未來在UCIe小芯片聯(lián)盟的推動下，會越來越趨向標(biāo)準(zhǔn)化，從而降低小芯片先進封裝設(shè)計的成本。

此外，透過制定統(tǒng)一的小芯片/晶粒(Die)間傳輸規(guī)范，以落實晶?！鸽S插即用(Plug and Play)」的目的，使來自不同廠商、代工廠的晶粒能在單一封裝內(nèi)順利整合，一定程度上滿足了高階運算芯片持續(xù)提升運算單元密度以及整合多元功能的需求，成為開發(fā)高階運算芯片的關(guān)鍵。

UCIe自成立以來，已有數(shù)十家包含IC設(shè)計、封測、材料設(shè)備、電子設(shè)計自動化系統(tǒng)等不同類型的業(yè)者紛紛加入，顯示小芯片先進封裝的跨領(lǐng)域特性。從圖4可見，圖右的貢獻(xiàn)會員除了IDM、IC封測及IC設(shè)計廠商外，還有EDA、ODM、記憶體、EMS及終端產(chǎn)品廠商， 顯示UCIe聯(lián)盟的影響力越來越廣。。

小芯片聯(lián)盟先導(dǎo)的推動成員在標(biāo)準(zhǔn)主導(dǎo)上占了一定的優(yōu)勢，像Intel便推出了自己的開放式小芯片平臺，如圖6左邊部分所示，可以用Intel自家的CPU去整合客戶的小芯片，輔以Intel本身的2.5D、3D技術(shù)去完成完整的封裝;而這就是Intel推動其IDM 2.0一個很重要的助力，提供了一個平臺可讓Intel進行代工及封測服務(wù)。

不過，聯(lián)盟成員也不會獨厚Intel，目前已提供了成員數(shù)個小芯片封裝可用的架構(gòu)，包括圖6右邊的標(biāo)準(zhǔn)2D封裝架構(gòu)及2.5D封裝架構(gòu) (可參考Intel的EMIB、TSMC的CoWoS及日月光的FOCoS)。

大廠技術(shù)

經(jīng)過長時間的研發(fā)，先導(dǎo)大廠的異構(gòu)整合先進封整產(chǎn)品均已開始提供服務(wù)，像TSMC臺積電從CoWoS、InFO，到SoIC，已經(jīng)累積豐富的先進封裝經(jīng)驗，形成3D Fabric平臺;臺積電透過3D Fabric平臺，整合2.5/3D先進封裝技術(shù)，為頂級客戶客制最佳化產(chǎn)品，透過綁定先進制程，提供先進制程代工到先進封裝的一條龍服務(wù)，主要產(chǎn)品類別為HPC高效能運算與高階智慧型手機芯片。

就Intel的部分，前面已經(jīng)提過，發(fā)展先進封裝技術(shù)為Intel IDM 2.0策略中關(guān)鍵的一環(huán)。近期Intel陸續(xù)推出2.5D封裝的嵌入式多芯片互連橋接(Embedded Multi-die Interconnect Bridge, EMIB)技術(shù)、3D堆疊的Foveros技術(shù)，以及整合2.5D與3D封裝的共嵌入式多芯片互連橋接Co-EMIB技術(shù)。Intel的Foveros 封裝技術(shù)利用3D 堆疊整合不同的邏輯芯片，為IC設(shè)計公司提供了很大的靈活性，允許其將不同技術(shù)的IP 區(qū)塊與各種記憶體和I/O 元件混合和搭配。Intel的Foveros可以讓芯片產(chǎn)品分解成更小的小芯片(chiplets) 或細(xì)芯片(tiles)，其中I/O、SRAM 和電源傳輸電路整合在基礎(chǔ)芯片中，而高性能邏輯小芯片則是堆疊在頂部。

至于記憶體大廠Samsung則是提供記憶體堆疊異構(gòu)整合封裝服務(wù)，包括其在2020 International Wafer-Level Packaging Conference (IWLPC)中展示的記憶體堆疊(Memory Stack)異構(gòu)整合技術(shù)，以及其「X-Cube (eXtended-Cube)」3D封裝技術(shù)，包含把記憶體與其他芯片整合，以及硅穿孔、微凸塊等關(guān)鍵技術(shù)。

審核編輯：湯梓紅

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