在不久前舉行的美國西部半導體展(Semicon West)上,國際半導體產業協會(SEMI)總裁兼執行長Ajit Manocha在一場主要由測試和封裝業者代表參與的會議上發表評論。他簡要地介紹了許多重要話題,包括現已解散的國際半導體技術發展藍圖(International Technology Roadmap for Semiconductors;ITRS)、人工智慧(AI)的經濟吸引力,以及在摩爾定律(Moore's Law)後的未來發展。

Manocha並提到,2017年全球半導體銷售額成長了22%,這是幾年前所無法想像的榮景,他並預期在2030年,全球晶片業務將達到1兆美元的市場規模。

Ajit Manocha
Ajit Manocha

根據各自的立場不同,摩爾定律不是被認為氣數已盡,就是將在各節點突破障礙,勇往直前。至於在後摩爾定律(post-Moore's Law)時代將出現哪些半導體產業指導原則,目前也仍然是爭論重點。但是,越來越多的工程師和晶片公司開始著眼於「異質整合」(heterogeneous integration)的概念——將單獨製造的矽和非矽元件整合於相同3D系統級裝(SiP)的更高層級系統,作為提升電子產業生產力的未來驅動力。

Manocha發表演說的這場會議,事實上是一場由IEEE支援的異質整合技術藍圖(HIR)研討會,其目的在於建立一個競爭前的技術藍圖,擘劃異質整合技術的長期願景,並找出其挑戰以及可能的解決方案。

「業界需要一些指導方向,」Manocha告訴與會者,SEMI將與IEEE聯手,共同管理HI技術藍圖以及另外兩項IEEE發展藍圖——國際元件設備和系統技術藍圖(International Technology Roadmap for Devices and Systems;IRDS)以及寬能隙半導體國際技術藍圖(International Technology Roadmap for Wide Band-gap Semiconductors)。「我們將負責為業界制訂發展藍圖,並讓業界進行驗證與反饋。」

自2016年起,半導體產業協會(SIA)取代備受關注的ITRS後,半導體產業在某種程度上一直處於無人引航的狀態。唯有透過技術藍圖提出全產業的目標和技術方向,先進晶片製造商們才能持續開闢讓其他產業得以追隨的道路。

「技術藍圖讓整個產業都能受惠。」資深封裝分析師兼TechSearch International創辦人兼總裁E. Jan Vardaman說,「技術藍圖讓業界了解如何進入下一步。」

日月光半導體(ASE)院士兼資深技術顧問William T. Chen說,業界合作建立技術藍圖,將有助於讓每個人的工作更省時省力,就像讓美國州際高速公路系統的結構到位一樣。「我們有責任確保關注的領域能夠反映在技術藍圖上。」William T. Chen同時也是HIR委員會共同主席。

HIR計劃始於2016年,目的在於確保電子產業到2031年的各種異質整合要求,找出其挑戰以及潛在的解決方案。該技術藍圖草案最初預計在今年七月發佈,但現在預計要到10月中旬才會揭露,其後將每年更新一次。

Chen說:「我們花了50年的時間才走到今天這一步。如今,我們需要建立一個知識庫,但它並不會在一夜之間發生。」

範圍更廣泛

Manocha曾任SIA主席與副主席、Globalfoundries執行長,在ITRS技術藍圖停止發行後仍積極參與SIA。他在七月的HIR會議上告訴與會者,多年來,半導體產業「走向了ITRS提供的方向,但SIA卻不再支持該藍圖了」。現在,他將和SEMI承擔起「在SIA放下的責任並積極管理一技術藍圖」。

Manocha除了是SEMI執行長,如今也是HIR全球顧問委員會的一員。他在接受《EE Times》採訪時說:「我們為定義未來15年技術創新的長期願景提供了引導。」他補充說,他和SEMI將扮演的角色之一是「確保其為產業、學術界、研究機構和政府的利益相關者之價值主張得到所有人的理解和使用。」

HIR計劃在許多方面都比ITRS的範圍更廣。由於異質概念包含快速發展的設計概念、封裝架構、元件類型、材料、製造製程和系統整合技術,HIR的工作涉及整個供應鏈的參與——從晶片製造商、材料供應商、設備公司、測試/裝配供應商、EDA公司以及其他人等。

William Chen
William Chen

目前,這項任務涉及22個獨立的技術工作組(TWG),涵蓋元件、設計元件、封裝技術、材料、安全性、熱管理以及供應鏈等。

在今年5月於聖地牙哥舉行的HIR研討會上,加州大學聖地牙哥分校(UC San Diego)電腦科學教授Andrew Khang指出,HIR計劃也關注於ITRS從未關注的應用市場,包括高性能運算/資料中心、物聯網(IoT)、醫療/健康/穿戴式裝置、汽車、航太/國防和行動等六大應用領域。

「ITRS以往只專注於一種產業。」Chen說:「當時存在一種驅動力道,而今[電子產業]擁有許多的驅動力和多種樣貌。」

典範轉移

對於半導體產業而言,從永遠專注於擴展摩爾定律轉變為以異質整合提升產能的世界,可說是一項不小的嘗試。

Bill Bottoms
Bill Bottoms

半導體測試先驅Bill Bottoms同時也是HIR委員會共同主席,他指出Semiconductor Research Corp.去年發表了一份名為「半導體研究機會:產業願景和指南」(Semiconductor Research Opportunities: An Industry Vision and Guide)的半導體研究報告。Bottoms摘要該報告指出,研究將有助於使AI、IoT、高性能運算以及「社會期待和依賴的永遠連網世界」等應用取得突破性進展。

但Bottoms指出,從整個產業的歷史來看,大部份的半導體研發都集中在推動摩爾定律的進展。Bottoms說:「但摩爾定律的經濟終結時刻即將到來。沒人會對此表示質疑。」

為了向前發展,業界需要新技術。Bottoms說,業界需要新的元件來增強矽基電晶體,同時必須開發新的運算架構,以取代傳統的馮·諾依曼(von Neumann)系統架構,從而產生全新的運算典範。

「我們必須結合整個產業、政府和學術界共同努力。」Bottoms說:「此外,還必須跨越國家界限攜手合作。」

據Bottoms表示,雖然CMOS微縮將繼續下去,明顯提升的參數卻只有密度,而成本、功耗和性能增益均低於期待。

「異質整合是唯一能夠讓摩爾定律在未來數十年持續進展的解決方案。」Bottoms說:「系統級的功率要求、延遲、成本和性能,主要是由互連而不是電晶體來決定。異質整合可在SiP中實現系統級整合,其中所有的主動功能都盡可能密集封裝。互連將透過光子技術盡可能將光子移動至接近電晶體。」

Bottoms列舉異質整合的許多好處,包括在同一製程節點大幅提升性能、以光學佈線取代電子佈線以降低功耗,以及逐次為具成本效率的元件整合單項功能,逐漸改善成本。

Bottoms聲稱,系統級的異質整合能夠讓功能密度提高1,000倍以上,並使每功能的功耗降低相似的數量。「最初,其中一些會帶來更高的成本。」他說:「但是,從長遠來看,在未來15年內,每功能的成本將降低10,000倍,而且設計週期更短,成本更低。」

邁向新旅程

但是,異質整合所宣稱的優勢至今仍然是不切實際的幻想。目前,HIR委員會仍致力於完成該技術藍圖的初稿。

基本上,在實現每功能成本的巨大效益之前,HIR委員會希望該技術藍圖能為產業提供一個共同的「專用語」,作為定義技術目標和挑戰的起點。在電子領域已經有許多關於異質整合的例子——也許最值得注意的是在Apple Watch 2中發現的第二代SiP——SI 2中包含超過42個晶片。但是,諸如2.1D、2DO和2DS等術語的定義在整個產業中並沒有統一的說法。

E. Jan Vardaman
E. Jan Vardaman

Vardaman說:「我們正試圖提出一些常用的術語,像是2.5D和3D等術語,如果不具有描述性,人們也不理解其含義,就無濟於事。」

委員會希望透過一種共同語言,推動產業開始動起來。畢竟,如果異質整合是為了實現Bottoms和其他人所期望的提高產能等目標,那麼接下來還有很多工作要做。

「近期最大的單一突破將是將光子整合於SiP產品,並且有效地將這些系統與光訊號連接到其他各種系統。」Bottom說:「這需要長期的共同設計、模擬、高度平行製造、SiP和互連標準,以及確保可靠性和安全性的發展。」

編譯:Susan Hong

(參考原文:Mapping the Future of Electronics,by Dylan McGrath)