下一代先進IC設計人才需要懂封裝!

作者 : Junko Yoshida,EE Times首席國際特派記者

下一代的IC設計是否能成功取得可行的進展,關鍵就在於整合;在歷史上,VLSI社群一直仰賴半導體製程節點之進展,來克服邁向更高整合度途徑中一個又一個快速接近的障礙,但是時代已經改變...

在美國喬治亞理工學院(Georgia Tech)教授超大型積體電路(VLSI)課程的數位暨混合訊號設計專家Arijit Raychowdhury (文章上方大圖)表示,先進IC設計的新疆域在於封裝。

下一代的IC設計是否能成功取得可行的進展,關鍵就在於整合;在歷史上,VLSI社群一直仰賴半導體製程節點之進展,來克服邁向更高整合度途徑中一個又一個快速接近的障礙,但是時代已經改變。晶片產業意識到,依循摩爾定律(Moore’s Law)的製程微縮速度已經趨緩,然而產業界似乎不願意面對VLSI設計即將發生的劇變──從製程到封裝技術的明確轉變。

「Raychowdhury是少數專注於此趨勢的人之一,他告訴我們,封裝是一個製程工程師必須了解的。他以AMD的Zen處理器以及Intel的Lakefield處理器為例,表示Intel就是在Lakefield晶片使用了一種叫做Foveros的封裝整合技術;而根據他的觀察,「AMD使用了一種類似的整合技術,將7奈米CPU與10奈米I/O以封裝級整合結合在一起,這有助於改善系統良率。他們這種技術的旗艦產品是Zen 2。」

其他廠商也使用類似的封裝級整合方案;Raychowdhury表示:「Apple、Qualcomm都在追隨這種技術,他們的技術成熟度不相同;」簡而言之,CPU領導廠商所展望的未來,「都是關於封裝的異質整合(heterogeneous integration)。」

Raychowdhury表示,先進IC設計的重點已經從製程技術轉向封裝技術,但問題在於「業界對於這種轉移將如何進展的了解不夠,至少在美國是如此。」他指出,台積電(TSMC)是一家在讓業界了解「在裸晶上做vs.用封裝做」方面,「表現得比較好」的公司。

在接受《EE Times》與姊妹刊《EDN》的聯合訪問(編按:EE Time首席國際特派記者Junko Yoshida與EDN代理主編Richard Quinnell共同參與這場訪問)時,Raychowdhury強調在工程世界中「connecting the dots」的重要性;將學校學到的理論與現實世界的設計連結,就是一個顯著的案例。了解科技業務與華爾街估值之間的連結又是另一回事。

儘管在年度國際固態電路會議(ISSCC)或VLSI研討會(VLSI Symposia)發表的技術論文,能讓工程師們得知最新尖端技術,在這些先進技術論文以及教授工程基礎知識的書籍之間仍有一個很大的中間地帶必須被詮釋;而Raychowdhury指出,能在其中扮演橋樑角色的,就是像《EDN》這樣的技術媒體,還有《EE Times》所刊出的技術與商業新聞分析。

我們的對話涵蓋在疫情蔓延中教授EE課程的挑戰,還有電晶體微縮,以及要掌握下一代VLSI設計所需的新技術領域專長,也談到了哪種理工科系學生最有機會在現實世界中取得成功。以下是我們以線上視訊會議方式進行的訪談節錄。

學校與職場之間的知識差距

Yoshida:你現在都是在家裡進行線上教學嗎?課程是怎麼進行的?

Raychowdhury:是的,我們從3月中旬就改為線上課程,到現在已經六個星期了(EETT編按:這場線上採訪是在美國時間今年4月下旬進行)。我們是先把教學內容錄製成視訊短片,在正式上課時間之前就上傳到網路;然後在課堂時間就是登入視訊會議軟體,與學生之間的互動不再是上一整堂課,而是以問答為主,我會回答學生的問題。這種方式還可以…我不會說很糟,到目前為止還可以。

我們有中國、越南、美國西岸…來自世界各地的學生,而有不少人根本無法順利連結網際網路,甚至是在美國本土的學生;特別是住在偏遠區域的,網際網路連線很不穩定。幾週前我們喬治亞州這邊有龍捲風發生,我們住在喬治亞南部的學生家裡的房子不但受損了、而且停電…簡直一團混亂。

Quinnell:我們的出版集團ASPENCORE有一項任務,是要察知技術知識差距──也就是我們的讀者認為他們在學校已經學到的,還有在職場上所必須具備的知識之間的差距。以你擔任講師的身份,是否有學生會回來訴苦說:「天啊,我希望我曾經在學校學到過這個…」

Raychowdhury:這確實是學生總會提到的一個問題,會與講師的個人教學方式有關。學生通常都會對於了解課堂上所學將如何應用於現實世界非常有興趣,他們會想知道哪種市面上的產品應用了哪些基礎技術?他們是不是有學過了?這是我們在學界常聽到的問題。

有些學校教師是從業界轉任學界的,他們對於市場上的現況有更多了解…我認為學生們──特別是大學在學生──都偏愛選修對於產業界正在做的事情有更多影響力、對他們未來就業有幫助的課程。但是仍有一些非常基礎性的課程,像是我們一定會教拉普拉斯轉換(Laplace transform)、傅立葉轉換(Fourier transform)這些東西。不過學生們有時會發現很難將那些課程與現實世界應用連在一起,他們總在尋找將理論與實踐連結在一起的方法。

Quinnell:在EDN最受歡迎的文章之一就是探討「建立與保持時間」(Setup and Hold Time)的基礎概念,這類文章一直以來都很受歡迎;所以我們可以在哪裡獲得更多這類知識?

Raychowdhury:這是個非常好的問題。這些日子以來,在我教授的VLSI課程中,我會花20%左右的時間只講建立與保持時間;我是一直到進入產業界任職,才知道這個題目有多複雜。如果你真的想充分了解什麼是保持時間,你得真的動手設計一個正反器(flip flop)、看它如何運作並大量佈署。所以我們需要一個首先了解理論,又懂得實作的人來寫這樣的文章…這正是教科書所缺少的,在大多數的文章中也很難看到。

從2D、2.5D到3D整合

Quinnell:在學界,要出版一本書很費工夫,要針對某種技術開一門課程亦然。你現在有看到什麼技術題材是你很希望有機會為它開一門課程的嗎?

Raychowdhury:人們說電晶體微縮已經快達到極限,但從技術上來看,也許微縮演進的速度不如我們想的那麼快。以記憶體製造技術或是後段製程電晶體技術為例,我認為還會有很多新的東西出現,產業界在這個特定領域行動速度非常快。但是探討這方面的好書卻不多,因為都是產業界所說的「黑魔法」。

另一個我看到的技術趨勢也沒有相關書籍,就是整合,包括2D、2.5D與3D等所有技術;我們都想知道:這個趨勢意味著什麼?會帶來什麼不同的影響?這些技術在產業界進行討論時都被樂觀看待,人們討論一層又一層的電晶體,其實都還沒有發生,就算在技術上是可行的,在經濟上恐怕還不可行。而包括像是Intel正在研發的「小晶片」(chiplet)等在短期內可以達成高整合度目標的手段,我不認為現在有適合的書籍探討這類技術。

半導體技術重心從製程轉向封裝

Quinnell:你認為現在有什麼是我們應該特別注意,或者是引起讀者注意、讓他們準備好能應用的新興技術?像是量子運算等題目讓人興奮,但是可能還要至少十年才會實現,所以我們想問的是距離近一點的、人們最快在一兩年之內就可能被要求從事相關工作的技術。

Raychowdhury:我認為其中一個技術領域是,製程工程師現在必須要了解封裝。我會看到這樣的趨勢,是因為如果你看AMD是怎麼開發他們的Zen處理器,還有Intel是如何製作Lakefield處理器,你就會發現都是關於封裝的異質整合。這些公司裡有眾多後段製程工程師,現在都在用他們的專業技能打造高密度封裝,我可以看到這正在發生。

我們(喬治亞理工學院)有許多研究專案是業界贊助的,因此我可以看到產業界正要求我們從設計以及製程的角度來看這些技術。但業界對於這種技術發展重心從製程轉移到封裝的趨勢之了解有限,至少在美國是如此。對於確保人們可以理解從在裸晶上做到變成在封裝上做,是一種平順的轉移,台積電大概是做得比較好的。而我認為這是人們會需要在非常、非常短的時間內準備好投入的技術領域。

成為優秀工程師需要具備的知識

Yoshida:身為一位教授,你認為學生們若要開始進入業界工作,在個人專業技能之外,應該要具備那些基本知識?

Raychowdhury:我覺得在這個產業表現優異的人,最終都會對各種知識有廣泛的了解。所以我都告訴我的學生要選修跨領域的課程,不只是自己的研究領域。例如從事製程技術的人會需要懂物理學還有化學;而設計元件的人會需要了解材料,如果不懂就會是個問題。我認為了解基礎化學原理會有幫助,因為當我們要改變典範(paradigm),就會關注新的材料。

類似的,我覺得很多產業界的電路設計工程師,特別是類比設計工程師,缺乏或是忘記了基礎數學知識,這些人一旦進入業界都得重新學習。有時他們具備一定的技能,卻不見得了解包括數學、物理學與化學等通常會需要的通用理工知識。

Yoshida:你也曾經在半導體業界任職,當時你會希望在進入職場之前曾經學習過什麼?

Raychowdhury:我擁有所有背景知識,但我缺少的技能是不知道該怎麼把一個個點連起來。例如某個特定主題要怎麼與另外一個連在一起?我認為這是學校裡學不到的,因為你會是在不同的學期裡學那些課程。在某個時間點,所有那些東西需要一次觸發;所以我在進入職場的前六到八個月,基本上都是在花時間嘗試了解如何將那些不同的元素連在一起。

(美國)各大學院校現在都在嘗試針對高年級甚至是研究所學生,開設更多實際動手實作的基礎設計課程,我認為這有很大的幫助。有些人天生就具備寫軟體程式、或是拆解東西再將它們組裝回去的能力,這些人會更適合當的工程師,因為當他們進入職場,連結知識的能力會更好。總之我認為,更多垂直整合的科目與課程非常重要。

Yoshida:我的最後一個問題是,既然你在為下一個年度開發新課程,什麼是你覺得一定要教授的科目?

Raychowdhury:我是教電路課程,從電路學的觀點,我認為很多學生已經走火入魔,他們只對於了解EDA工具的運作有興趣,像是你怎麼知道Synopsys提供的不同選項,或是Cadence正在生產的新後段工具…還有他們只想做專案並獲得特定技能。所以實際上我在下一個學年打算教一些基礎,我大部分教的都是研究生,他們在大學部並沒有對訊號與雜訊有充分的了解,這是個問題,而這些都是電路設計師必須要知道的。

在VLSI領域,我們並沒有很多良好的基礎課程,主要是因為學生的需求,他們大部分都只想學能幫助他們取得技能的東西,卻不了解這些技能在他們走出校園之後,不需要花太多時間就能學到;他們更需要的是基礎性知識的了解,而美國的大學院校幾乎都沒有教授基礎性的VLSI電路設計。

 

本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2020年6月號,責編:Judith Cheng

(參考原文:Wanted: Process Engineers Versed in Packaging,by Duncan Stewart and Jeff Loucks )

 

 

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