电子产业未来的驱动力：异构整合

shuszhao · 发表于 2018-8-30 08:52:35

越来越多的工程师和芯片公司开始着眼于“异构整合”的概念——将单独制造的硅和非硅组件整合于相同3D系统级装(SiP)的更高层级系统，作为提升电子产业生产力的未来驱动力…

在不久前举行的美国西部半导体展(Semicon West)上，国际半导体产业协会(SEMI)总裁兼首席执行官Ajit Manocha在一场主要由测试和封装业者代表参与的会议上发表评论。他简要地介绍了许多重要话题，包括现已解散的国际半导体技术发展蓝图(International Technology Roadmap for Semiconductors；ITRS)、人工智能(AI)的经济吸引力，以及在摩尔定律(Moore's Law)后的未来发展。
Manocha并提到，2017年全球半导体销售额成长了22%，这是几年前所无法想象的荣景，他并预期在2030年，全球芯片业务将达到1兆美元的市场规模。

Ajit Manocha
根据各自的立场不同，摩尔定律不是被认为气数已尽，就是将在各节点突破障碍，勇往直前。至于在后摩尔定律(post-Moore's Law)时代将出现哪些半导体产业指导原则，目前也仍然是争论重点。但是，越来越多的工程师和芯片公司开始着眼于“异构整合”(heterogeneous integration)的概念——将单独制造的硅和非硅组件整合于相同3D系统级装(SiP)的更高层级系统，作为提升电子产业生产力的未来驱动力。
Manocha发表演说的这场会议，事实上是一场由IEEE支持的异构整合技术蓝图(HIR)研讨会，其目的在于建立一个竞争前的技术蓝图，擘划异构整合技术的长期愿景，并找出其挑战以及可能的解决方案。
“业界需要一些指导方向，”Manocha告诉与会者，SEMI将与IEEE连手，共同管理HI技术蓝图以及另外两项IEEE发展蓝图——国际组件设备和系统技术蓝图(International Technology Roadmap for Devices and Systems；IRDS)以及宽能隙半导体国际技术蓝图(International Technology Roadmap for Wide Band-gap Semiconductors)。“我们将负责为业界制订发展蓝图，并让业界进行验证与反馈。”
自2016年起，半导体产业协会(SIA)取代备受关注的ITRS后，半导体产业在某种程度上一直处于无人引航的状态。唯有透过技术蓝图提出全产业的目标和技术方向，先进芯片制造商们才能持续开辟让其他产业得以追随的道路。
“技术蓝图让整个产业都能受惠。”资深封装分析师兼TechSearch International创办人兼总裁E. Jan Vardaman说，“技术蓝图让业界了解如何进入下一步。”
日月光半导体(ASE)院士兼资深技术顾问William T. Chen说，业界合作建立技术蓝图，将有助于让每个人的工作更省时省力，就像让美国州际高速公路系统的结构到位一样。“我们有责任确保关注的领域能够反映在技术蓝图上。”William T. Chen同时也是HIR委员会共同主席。
HIR计划始于2016年，目的在于确保电子产业到2031年的各种异构整合要求，找出其挑战以及潜在的解决方案。该技术蓝图草案最初预计在今年七月发布，但现在预计要到10月中旬才会揭露，其后将每年更新一次。
Chen说：“我们花了50年的时间才走到今天这一步。如今，我们需要建立一个知识库，但它并不会在一夜之间发生。”

范围更广泛

Manocha曾任SIA主席与副主席、Globalfoundries首席执行官，在ITRS技术蓝图停止发行后仍积极参与SIA。他在七月的HIR会议上告诉与会者，多年来，半导体产业“走向了ITRS提供的方向，但SIA却不再支持该蓝图了”。现在，他将和SEMI承担起“在SIA放下的责任并积极管理一技术蓝图”。
Manocha除了是SEMI首席执行官，如今也是HIR全球顾问委员会的一员。他在接受《EE Times》采访时说：“我们为定义未来15年技术创新的长期愿景提供了引导。”他补充说，他和SEMI将扮演的角色之一是“确保其为产业、学术界、研究机构和政府的利益相关者之价值主张得到所有人的理解和使用。”
HIR计划在许多方面都比ITRS的范围更广。由于异质概念包含快速发展的设计概念、封装架构、组件类型、材料、制造工艺和系统整合技术，HIR的工作涉及整个供应链的参与——从芯片制造商、材料供应商、设备公司、测试/装配供应商、EDA公司以及其他人等。

William Chen
目前，这项任务涉及22个独立的技术工作组(TWG)，涵盖组件、设计组件、封装技术、材料、安全性、热管理以及供应链等。
在今年5月于圣地亚哥举行的HIR研讨会上，加州大学圣地亚哥分校(UC San Diego)计算机科学教授Andrew Khang指出，HIR计划也关注于ITRS从未关注的应用市场，包括高性能运算/数据中心、物联网(IoT)、医疗/健康/穿戴式装置、汽车、航天/国防和移动等六大应用领域。
“ITRS以往只专注于一种产业。”Chen说：“当时存在一种驱动力道，而今[电子产业]拥有许多的驱动力和多种样貌。”

典范转移

对于半导体产业而言，从永远专注于扩展摩尔定律转变为以异构整合提升产能的世界，可说是一项不小的尝试。

Bill Bottoms
半导体测试先驱Bill Bottoms同时也是HIR委员会共同主席，他指出Semiconductor Research Corp.去年发表了一份名为“半导体研究机会：产业愿景和指南”(Semiconductor Research Opportunities: An Industry Vision and Guide)的半导体研究报告。Bottoms摘要该报告指出，研究将有助于使AI、IoT、高性能运算以及“社会期待和依赖的永远连网世界”等应用取得突破性进展。
但Bottoms指出，从整个产业的历史来看，大部份的半导体研发都集中在推动摩尔定律的进展。Bottoms说：“但摩尔定律的经济终结时刻即将到来。没人会对此表示质疑。”
为了向前发展，业界需要新技术。Bottoms说，业界需要新的组件来增强硅基晶体管，同时必须开发新的运算架构，以取代传统的冯·诺依曼(von Neumann)系统架构，从而产生全新的运算典范。
“我们必须结合整个产业、政府和学术界共同努力。”Bottoms说：“此外，还必须跨越国家界限携手合作。”
据Bottoms表示，虽然CMOS微缩将继续下去，明显提升的参数却只有密度，而成本、功耗和性能增益均低于期待。
“异构整合是唯一能够让摩尔定律在未来数十年持续进展的解决方案。”Bottoms说：“系统级的功率要求、延迟、成本和性能，主要是由互连而不是晶体管来决定。异构整合可在SiP中实现系统级整合，其中所有的主动功能都尽可能密集封装。互连将透过光子技术尽可能将光子移动至接近晶体管。”
Bottoms列举异构整合的许多好处，包括在同一工艺节点大幅提升性能、以光学布线取代电子布线以降低功耗，以及逐次为具成本效率的组件整合单项功能，逐渐改善成本。
Bottoms声称，系统级的异构整合能够让功能密度提高1,000倍以上，并使每功能的功耗降低相似的数量。“最初，其中一些会带来更高的成本。”他说：“但是，从长远来看，在未来15年内，每功能的成本将降低10,000倍，而且设计周期更短，成本更低。”

迈向新旅程

但是，异构整合所宣称的优势至今仍然是不切实际的幻想。目前，HIR委员会仍致力于完成该技术蓝图的初稿。
基本上，在实现每功能成本的巨大效益之前，HIR委员会希望该技术蓝图能为产业提供一个共同的“专用语”，作为定义技术目标和挑战的起点。在电子领域已经有许多关于异构整合的例子——也许最值得注意的是在Apple Watch 2中发现的第二代SiP——SI 2中包含超过42个芯片。但是，诸如2.1D、2DO和2DS等术语的定义在整个产业中并没有统一的说法。

E. Jan Vardaman
Vardaman说：“我们正试图提出一些常用的术语，像是2.5D和3D等术语，如果不具有描述性，人们也不理解其含义，就无济于事。
”
委员会希望透过一种共同语言，推动产业开始动起来。毕竟，如果异构整合是为了实现Bottoms和其他人所期望的提高产能等目标，那么接下来还有很多工作要做。
“近期最大的单一突破将是将光子整合于SiP产品，并且有效地将这些系统与光信号连接到其他各种系统。”Bottom说：“这需要长期的共同设计、仿真、高度平行制造、SiP和互连标准，以及确保可靠性和安全性的发展。”