接續前文:晶片產業前進「異質整合」新時代(上)  

鈺創(Etron)創辦人、董事長暨執行長盧超群(Nicky Lu)在台灣出生、受教育,後來赴美深造取得史丹佛大學(Stanford University)的電子工程碩士與博士學位;IBM Research是他職業生涯的起點,最為人所知的是他參與發明了3D-DRAM技術,以及開發了高速CMOS DRAM (HSDRAM)。

數十年來,這位技術高手用他具感染力的微笑與熱情的態度,在半導體產業界成為說話有份量的人物。盧超群從他在2004年的國際固態電路會議(ISSCC)發表關於異質整合(HI)的演說之後,就一直致力提倡這個概念;他在演說中指出:「未來的系統晶片將會完全利用在單一封裝中的多維整合,內含的多晶片包括各種數位、類比、記憶體與RF功能及技術。」

盧超群當時對3D IC時代即將來臨的預測被認為是大膽的想法;在晶片世界大部份還是依循摩爾定律(Moore’s Law)──唯一原則就是電晶體持續微縮──的那個時候,他希望可以證明晶片的垂直整合能實現的成果。

封裝技術的進展

時間快速前進到2018年,現在可以很公正地說系統級封裝(SiP)時代已經來臨,至於摩爾定律氣數已盡的說法則是被誇大了。

現今的晶片封裝技術與2004年那時候相較,已經有非常顯著的進步;台積電(TSMC)所開發的整合扇出式(InFO)晶圓級封裝技術,讓Apple得以用非常薄的層疊封裝(package-on-package,PoP),結合大量的I/O焊墊以及為iPhone 7的應用處理器A10提供更佳的散熱管理。

InFO平台的重分佈層(re-distributed layer)技術將矽晶片直接與PCB連結,不需要額外的基板;盧超群表示,台積電設計的直通互連通孔(Through Interconnect Via,TIV)能「利用混合性的垂直與水平互連技術,提供支柱以連結不同的晶片或零組件;」InFO證實了其短垂直連結與長水平之間的鏈路,能加速資訊傳輸。

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台積電的InFO技術結構
(來源:EE Times)

對於異質整合技術的未來,盧超群充滿希望;他指出,台積電以3D晶圓為基礎的系統整合──包括CoWos (chip-on-wafer-on-substrate)與InFO──是非常棒的例子,因為展示了如何實現另一種等級的微系統性能與堆疊。

而促使台積電實現InFO技術突破的,是Apple而非其他傳統晶片業者;盧超群認為,從Apple的A10處理器與Apple Watch 2採用的第二代SiP技術這些例子可以看出,晶片產業必須要看得更遠,必須要努力挖掘那些不只是晶片供應商同業、還有其他產業所熱烈追求的「智慧」解決方案。

盧超群相信,異質整合技術藍圖(HIR)不但會成為晶片業者的動力,「其他正在尋找新應用的產業,也能因為以IC為中心的系統解決方案而添加更多價值。」

把蛋白質當硬體、DNA當軟體

今年2月,盧超群在HIR會議上發表的演說激勵了許多人,因為他將HI概念延伸到更長遠的未來;他以「細胞智慧」(cell intelligence)為例,說明電子產業的專長能如何被利用。

「試想把蛋白質當作硬體,DNA則是在上面執行的軟體;」他指的是所謂的合成生物電路(synthetic biological circuits),在細胞內的生物性元件被設計為執行模仿電子電路的邏輯功能。盧超群的公子盧冠達(Timothy Lu)就專注於細胞療法研究;他為吹噓自己兒子的成就道歉,但強調打造全新的基因電路已經不只是夢想。

盧冠達是美國麻省理工學院(MIT)的生物工程、電子工程與電腦科學副教授,也創立了一家合成生物學公司Senti Bio,這家新創公司在今年稍早的A輪募資中籌得5,300萬美元資金。盧冠達最近接受生物工程專業媒體Symbiobeta訪問時表示,他的公司「專注於利用合成生物學工具來打造下一代的細胞與基因治療法,具備適應、感測與回應能力,而且比現有的細胞與基因療法具備更廣泛的效應。」

他也提及從不同的實驗室導入最先進的技術:「整體來說,那些實驗室已經展現了能以多輸入多輸出(MIMO)類型的系統,來編程複雜精密的邏輯。」

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用於癌症免疫療法(Cancer Immunotherapy)的合成RNA免疫療法基因電路
(來源:www.cell.com)

其他「無所不在的智慧」案例,還包括一種外觀像藥丸,其實是以異質整合技術製作的小型光學元件;盧超群表示,當病患吞下這種藥丸,它就會扮演在人體內收集資料以及提供情報的微型電腦。生活智慧是另一個智慧技術能發揮的領域,他指出,AI也可以與食材融合,用來監測它們的「健康情況」。

此外還有「微生物群」(Microbiome),也就是所有生活在人體的微生物;盧超群再次為吹噓自己兒子的研究抱歉,表示現在鎖定人體微生物群的療法正在迅速發展。盧冠達在一本題為《打造人類健康應用之微生物群》(Engineering the Microbiome for Human Health Applications)的共同著作書籍中就提到,微生物群療法可能構建出「臨床相關的生物感測器,實現能在人體中作用的強韌、有效之合成基因電路。」

雖然生物科學領域聽起來很有趣,我們還是得打斷盧超群,問他:那麼半導體產業在這類「普適智慧」(pervasive intelligence)世界中的研發專案,能提供那些實質性的優勢?

盧超群的回答是:「我們在運算領域學到的知識、專長與理論至關重要,而且可以轉移到其他領域;他反問:「矽晶片技術教了我們什麼?」他說,是教了我們如何把東西做得更小,而且以更快的速度計算資料。

晶片產業微縮製成的奧妙,現在可以用以打造人工智慧、物聯網以及生物應用的奈米級模組;盧超群看好產業界能夠生產應用導向的HI奈米系統:「我們能藉由最佳化物理學、材料、元件、電路/晶片、軟體與系統來實現這個目標。」

異質整合藍圖即將揭曉

HIR委員會準備在今年7月的SEMICON West發表現有工作成果,委員會旗下的22個技術工作小組正各自為HIR技術文件撰寫一個章節,以進行同儕審查、編輯與定稿,然後在會議上發表。HIR委員會共同主席Bill Bottoms表示,該技術文件將會在7月發表,並在SEMICON West之後不久上網。

擁有22個章節的HIR技術文件,將涵蓋HI的市場應用、HI元件、設計(包括共同設計與模擬軟體、工具與實作等),以及像是材料與諸如與SiP、3D+2.5D與WLP (扇入與扇出)等技術的互連、整合程序等交叉議題。

Bottoms指出,散熱管理與安全性是兩個後來補充的議題,HIR委員會的成員認為它們很重要,而且相關發現能讓所有技術工作小組獲益。他指出,散熱管理小組是由來自Google的代表所領導;而他也再次強調HIR獲得產業界領導廠商的大力支持:「很多Intel、Google與IBM的資深人士都是活躍成員。」

除了HIR,產業界還有兩個組織在推動後ITRS技術藍圖,包括IEEE標準協會(Standards Association)支持、與重啟運算計畫(Rebooting Computing Initiative)相關的IRDS (International Technology Roadmap for Devices and Systems);還有ITRW (International Technology Roadmap for Wide Band-Gap Semiconductors),是IEEE電力電子學會(Power Electronics Society)所贊助。

並沒有哪一個組織說自己比人家厲害,而且Bottoms強調:「這些藍圖從三個各自技術領域的有利位置看未來,他們能以各自協調的複雜性彼此互補,替電子產業的未來提供多維觀點。」

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從ITRS到HIR
(來源:Heterogeneous Integration Roadmap Working Group)

而這一切也衍生了一個問題:為何電子產業很愛制定「藍圖」?大家都被摩爾定律洗腦了嗎?該定律也確實讓產業界的每個人都以相同的曲調起舞,讓產品與研發計畫跟上腳步。Bottoms則認為,擁有藍圖甚至能讓異質整合的潛力更充分發揮。

他在一份與HIR委員會共同主席、ASE院士William Chen共同撰寫的技術論文中指出,技術藍圖能指導「專家、產業界、學術界與政府有足夠的準備時間定義關鍵技術挑戰,使得那些挑戰不會成為電子技術進展過程以及在不同產業中擴展應用版圖時的障礙;」他們的結論是:「我們的目標是激勵研發創新與跨生態系統的合作,以期實現未來願景的過程一路順暢」

編譯:Judith Cheng

(參考原文: Chip Industry Maps Heterogeneous Integration,by Junko Yoshida)