後摩爾定律時代 製程微縮不是唯一選項

作者 : Luffy Liu,EE Times China

20多年來一直有人在討論摩爾定律何時終結,甚至每年都有人認為它明年就會終結,卻從來沒有應驗。

從積體電路(IC)誕生這六十多年以來,我們歷經了大型主機(Mainframe Computing)時代、個人電腦(PC)時代,目前雖仍處於行動運算(Mobile Computing)時代之中,但正朝著下一個普及運算(Ubiquitous Computing)時代邁進。

三年前,人們曾預測行動運算跟普及運算時代的交叉點會發生在2020年,從現在的電子產品來看,這一預測成真了。進入普及運算時代後,行動時代的智慧機器將演變成「多裝置對多裝置」的行動運算平台、高速運算平台、IoT平台和智慧車載平台;四個平台疊加,將讓半導體產業重回指數級高速成長時代。

在這個新時代的核心技術中,5G是代表性的連結技術,AI則是資料處理技術。資料的傳輸和處理都需要用到電晶體;在這個資料爆炸的時代,人們對電晶體數量的需求也在飛速成長,而要把5G或AI晶片做到高性能、高整合度和低功耗,還需仰賴半導體先進製程。台積電(中國)副總經理陳平於2020年底在中國重慶舉行的ICCAD 2020大會上分享的觀點則是:「實現先進製程無非兩個路徑,第一是繼續延伸摩爾定律(Moore’s Law),透過微縮電晶體來增加電晶體整合數量;第二是實現3D整合。」

微縮製程方面,摩爾定律曲線雖然有所趨緩,但仍在繼續。2020年台積電和三星均實現了5奈米(nm)的量產,3奈米的研發也在進行中,預計2021年完成認證、2022年量產。3奈米之後還有2奈米,但要再往前走,取決於微影技術。以往14奈米製程採用193奈米ArF光源浸潤式微影,現在的5奈米節點用13.5奈米極紫外光微影(EUV),隨著EUV技術的不斷升級,生產2奈米元件理論上沒問題。

除了微影技術,電晶體結構和材料創新也是實現微縮的關鍵。當元件變得很小的時候,常規元件結構不一定能支援電性要求,上一次的結構轉換是從10奈米開始,已經用了好幾代。但3奈米以後,元件的遷移率會快速降低,這對結構和材料都提出了新要求,例如憑藉近幾年研究人員研發出的新型2D材料,3奈米製程才成為可能。

但在單晶片上能整合的電晶體數量畢竟有限,把所有功能整合在同一顆晶片上既不現實也不經濟,這時候就需要利用3D-IC或者異質整合來延伸摩爾定律。陳平認為,從打線(Wirebond)、覆晶(Flipchip)、表面黏著(SMT)等傳統的系統級封裝(SIP)或多晶片模組(MCM)封裝技術,逐步過渡到CoWoS、InFo-PoP、垂直堆疊、晶圓鍵合(wafer bonding)等類型的3D晶圓級系統整合技術,也是今後整個半導體產業都需要做的事。

據瞭解,目前很多封裝廠已經推出高密度的扇出式(Fan-out,FO)封裝技術。例如日月光推出了晶圓級扇出式封裝FOWLP (Fan-out Wafer-Level Package)技術,還有日月光、力成、三星等業者推出面板級扇出式封裝FOPLP (Fan-out Panel-Level Package),競爭相當激烈。

台積電也預見了3D技術的需求,推出了晶圓級系統整合技術平台3DFabric。其中分為兩部分,一是前段製程的晶片堆疊(FE 3D),即包含CoW(Chip on Wafer)與WoW (Wafer on Wafer)的SoIC (System on ICs),二是後段製程的先進封裝(BE 3D),包含後晶片(chip last)的CoWoS與先晶片(chip first)的InFO。

 

圖1:台積電的 SoIC、CoWoS、InFO 技術圖解。SoIC 技術是在晶圓上,將同質或異質Chiplet都整合到一個類似 SoC 的晶片中,該晶片有更小的面積和更薄的外形。在外觀上,新晶片就像普通的 SoC 一樣,但嵌入了所需的異質整合功能。

 (圖片來源:TSMC)

 

在當前先進製程成本越來越貴的前提下,台積電「前段製程3D+後端製程3D」的玩法,恐怕將會改變晶片設計規則。不管是Intel和AMD看好的Chiplet,台積電的前段製程3D晶片堆疊,還是中芯國際所說的整合晶片,都是英雄所見略同,未來工程師必然要在IC設計初始階段,就要考慮是採用哪一種3D技術。

這也引出了除電晶體微縮技術和3D整合以外,IC設計的另一個重要發展趨勢——軟硬體協同設計(Hardware-Software Co-Design);這個詞聽起來有點虛幻,卻體現了設計和製程的緊密結合,是所有製程開發和設計都要考慮的重要元素。

傳統的設計方法是將晶片和軟體分為兩個獨立的部分,通常先進行晶片設計,再於硬體平台上進行軟體設計。如果還要考慮晶片實際應用的系統開發,整個產品週期至少要3~5年時間。隨著AI技術的發展,我們現在不但可以在晶片設計的同時,開發相對應的軟體和系統應用,還能夠在晶片問世前就以虛擬的晶片進行終端產品的功能設計。為了滿足上市時間和性能要求,今日的SoC普遍採用軟硬體協同設計的方法進行。

20多年來一直有人在討論摩爾定律何時終結,甚至每年都有人認為它明年就會終結,卻從來沒有應驗。這是因為永遠不能低估人類的創造、創新能力,當我們遇到瓶頸時,總有優秀的科學家能夠找到新的答案。從IC技術的發展方向來看,電晶體微縮這條路預計到1奈米之後就走不通了,未來幾年要提升晶片的效能,勢必要往新材料、3D封裝的方向努力。

本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌繁體中文版2021年3月號

 

 

加入我們官方帳號LINE@,最新消息一手掌握!

發表評論