在25年的時間內,當Facebook、Google與Amazon透過自己設計晶片稱霸全球市場之後,半導體產業的面貌會有什麼變化?在某種程度上,我們已經看到未來、而且它已經發生:大數據分析、人工智慧(AI)、擴增/虛擬實境(AR/VR)、自動駕駛車輛等新技術已經問世──雖然未臻完美之境。

儘管如此,大多數晶片設計工程師甚至無法想像那樣一個大無畏的新世界,更別說那些他們必須保持在流行前線的創新發明;但讓工程師們頭痛的一個問題是,產業發展的方向全然不確定。隨著摩爾定律(Moore’s Law)接近「經濟上的死角」,對大多數晶片供應商(除非是Intel或Samsung等大廠)來說,該轉往其他哪個方向?

2016年7月,半導體產業協會(SIA)發表最後一期的國際半導體技術藍圖(ITRS)報告(參考連結),這意味著產業界已經承認摩爾定律不只是速度趨緩,而是產業界需要新的工具、統計圖表與程序,來定義技術研發之間的差距所在,以及在這個連結性更強的世界該何去何從。這也是台灣IC設計公司鈺創(Etron)創辦人、董事長暨執行長盧超群(Nicky Lu)要出力的地方。

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鈺創(Etron)創辦人、董事長暨執行長盧超群(Nicky Lu)
(來源:EE Times)

盧超群一直在提倡「異質整合」(heterogeneous integration,HI),他推廣這個概念是因為半導體產業至少必須要脫離對製程節點微縮的癡迷;為了取得成長動力,產業界必須以「不同技術的異質整合」來創新。

不過盧超群所提倡的HI並非異質整合SoC、系統級封裝(SiP)或多晶片模組(MCM),而是一種「整體化(holistically)的整合性解決方案」,牽涉系統設計、演算法與軟體,結合不同的矽元件如SoC、DRAM、快閃記憶體、ADC/DAC、電源管理、安全晶片,以及可靠性控制元件。

到目前為止,晶片產業在SiP技術領域已經有大幅度的進展;盧超群表示:「在2018年的現在,我已經看到市場對於更複雜HI的需求,實際上不只整合矽晶片,還包括非矽材料。」

HI背後的三個IEEE學會

電子測試業者3MTS (Third Millennium Test Solutions)董事長Bill Bottoms表示,訂定「異質整合藍圖(Heterogeneous Integration Roadmap,HIR)的基礎工作在2015年展開,當時SIA與一個IEEE學會簽署了合作備忘錄,由Bottooms以及日月光(ASE)的院士William Chen擔任HIR委員會的共同主席。

2016年,HIR獲得三個IEEE學會的正式贊助,包括電子封裝學會(Electronics Packaging Society,EPS)、電子元件學會(Electronic Devices Society,EDS)以及光子學會(Photonics Society);國際半導體產業協會(SEMI)以及美國機械工程師學會(American Society of Mechanical Engineers,ASME)的電子與光子封裝分會(Electronic and Photonic Packaging Division,EPPD)也加入了HIR訂定工作。

從去年開始一切步入正軌。隨著HIR委員會在世界各地舉辦研討會宣傳其使命,「總共有接近1,000位科學家、研究人員與資深工程師出席我們的活動並承諾參與HIR;」Bottoms表示,在委員會成員方面,「我們致力於將標準品質維持非常高的水準,我們只選擇那些擁有技術證照,並且真正願意為每個技術工作小組貢獻力量的人。」

Bottoms解釋,一般只是想吸收資訊的市場旁觀者不會被委員會接納;他所定義的HIR委員會任務範圍是:「定義我們需要克服的困難挑戰,以因應未來15年、25年新興研究領域之技術需求。」他指出,該組織正在開發一個「競爭前期」(pre-competitive)藍圖,而集中產業界資源去規劃未來,會比多頭馬車各自努力更有效率。

HIR委員會將具潛力的首要整合技術解決方案視為「複雜的SiP結構」。Bottoms表示,在很多方面,產業界開始關注將矽元件與非矽材料整合在單一封裝中的產品;「一個很好的HI案例是Intel的光子光學收發器(photonics optical transceivers),」他解釋,Intel以矽晶圓平面製造技術支援電-光收發器的量產。

另一個案例是Apple Watch 2採用之第二代SiP技術「S2」;與第一代技術S1一樣,該SiP模組在一個模組中混合了不同封裝形式,包含能以裸晶堆疊的零組件(例如CSP、WLP等封裝)、傳統的打線封裝,甚至是層疊封裝(package-on-package)等多晶片的配置,或是多晶片堆疊的DRAM、NAND快閃記憶體。

Bottoms表示:「Apple到目前為止已經將SiP概念推向未來──這是一條前人未走過的路。」如拆解分析機構TechInsights的Apple Watch 2拆解報告寫道:「S2封裝內含超過42顆晶片!在這種小型封裝中有非常多晶片。」對於S2內部的98個互連,Bottoms表示驚嘆。

對盧超群來說,沒有其他事情比看到HI幕後勢力漸長更讓他開心;他接受EE Times訪問時表示,異質整合不再只是他自己一頭熱,而是已經廣佈於電子產品。

在今年稍早,盧超群於一場在美國矽谷舉行的IEEE會議上發表題為「透過異質整合技術實現的AI與Silicon 4.0時代協同成長」(Synergistic Growth of AI and Silicon Age 4.0 through Heterogeneous Integration of Technologies)的演說;他表示:「有很多人在聽了我的演講後來找我,他們都非常興奮。」

為何那些人如此興奮?盧超群的演說並非關於異質整合技術細節,而是將焦點集中在擴大半導體產業的研發範圍。現在晶片產業已經不再押注製程的持續微縮,他認為產業界可以將知識應用於更大的任務,而下一步是在跨不同領域的產業實現「普適智慧」(pervasive intelligence),從AI、人類、自然界到生物、細胞、細菌以及醫療智慧。

盧超群解釋,探討下一代AI晶片的最佳化設計是一回事,人人都在做;但如果產業界需要能延伸至未來25年的「技術藍圖」,最好要開始著墨普適智慧。在進一步了解盧超群所定義的普適智慧之前,得先了解他對異質整合的興趣是如何演變而來…

編譯:Judith Cheng

 
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