在一場聚焦於「智慧中國」的《全球CEO峰會》上,鈺創科技(Etron Tech)執行長、董事長暨創始人、台灣半導體產業協會理事長盧超群(Nicky Lu)在發表《新興指數型經濟成長:AI加成積體電路之新異質整合系統爆發威力》的主題演講中再度強調異質整合的重要性,並看好該技術將帶領半導體產業在下一個30年創造新的成長高峰。

盧超群認為,20世紀的矽晶科技革命奠定了21世紀的基礎,並引爆科技多元化的應用革命,例如雲端運算、大數據、機器學習和人工智慧(AI),也包括與人類健康息息相關的創新基因工程。

20181109_Etron_NT62P1 鈺創科技(Etron Tech)執行長盧超群

矽1.0時代:由摩爾定律開創

事實上,10年前還沒有AI,盧超群表示,今天AI的出現是因為人類有了這樣的需求,在AI一切的多元應用中,半導體正扮演智慧核心的角色。但很多預測顯示,關乎半導體動能的「摩爾定律」(Moore's law)可能會在2025年終止。

半導體的第一個時代是矽1.0,摩爾(Gordon Moore)曾說,每兩年在單位節點面積內增加1倍電晶體數量,每一節點線寬微縮0.7倍,30微米至28奈米共20節點,這就是十幾年來促進IC產業放量經濟成長的功臣:指數摩爾定律。

20181109_Etron_NT62P4 由摩爾定律開創的矽1.0時代

矽2.0時代:面積微縮法或將終止於5奈米?

然而矽1.0時代在28奈米節點終止,從28米節點以下到今日半導體技術走到7奈米世代,這段時間被稱為矽2.0世代。盧超群認為,在矽世代2.0要促成有效的摩爾定律(Effective Moore’s Law Economy;EME),以維持經濟投資效益,主要依靠面積微縮法則(Area Scaling)。

英特爾(Intel)率先在22奈米上,把電晶體的排列由平放變成鰭狀排列,並把控制電晶體流量的閘極變大,也就是鰭式場效電晶體(FinFET)或是三閘極(Tri-Gate)電晶體。在FinFET製程架構下,線寬微縮不用再做到0.7x,只要0.8x並達到面積縮小0.64即可達到同樣效果;在0.64和0.5之間減少微縮的面積,因為電晶體豎起來後,可以得到更有效地利用,以及豎立式所產生的3度空間來彌補,這樣的做法也可以讓一個單元面積上容納2個電晶體。

20181109_Etron_NT62P5 面積微縮可望在明年將把半導體製程帶入5奈米

矽3.0時代:台積電「獨吃」蘋果的秘訣

而在矽3.0時代主要依賴體積微縮法則(Volumetric Scaling),進一步促成有效摩爾定經濟(EME),即利用底部的面積加上封裝技術拉出一個3D空間,再回算成單位面積。透過這種做法,摩爾定律的精神再度被延續。

盧超群舉了個例子,當年鈺創和英特爾合作,做出了第一個堆疊晶片(如下圖),「就像我們到百貨公司搭電扶梯,不需要等,大家都可以同時傳送,而另一堆疊像是電梯,必須等在外面,等人出來才能進去。所以按照這樣異質整合概念,鈺創是想讓大家買到不要封裝的記憶體,品質保證10年不壞。」

20181109_Etron_NT62P6

在一個非常小的封裝中堆疊多層,目前市場需求很大的3D NAND就是運用此技術。

20181109_Etron_NT62P7 異質整合大量促進IC創新。SoC新架構:使用多度空間佈局各種晶粒,突破只求元件微縮的瓶頸

台積電(TSMC)為什麼能夠獨吃蘋果(Apple)晶片代工訂單?秘訣就在他們的整合扇出型(InFO, Intergrated Fan-Out)封裝技術。下圖右邊是台積電用異質封裝整合出來的,左邊是大家現在做的,體積上的差距一目瞭然。

20181109_Etron_NT62P8

台積電所開發的InFO晶圓級封裝技術,讓得以用非常薄的層疊封裝(package-on-package,PoP),結合大量的I/O焊墊以及為新一代iPhone的應用處理器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準互連技術,提供支柱以連結不同的晶片或零元件;」InFO證實了其短垂直連結與長水準之間的鏈路,能加速資訊傳輸。

盧超群深入淺出地舉了一個例子:「這就好比蓋房子,一棟4層樓高的公寓,公寓中間的位置有個方形回廊,4邊都有樓梯爬上爬下,回廊中心就是交換情報的地方。在這樣的設計架構下,做了3D堆疊,只不過只有堆4層,晶粒的面積會大一點,但換來扁一點的體積,這就是台積電InFO封裝技術架構的奧妙。」

為什麼台積電的InFO設計,可以成功落實異質整合技術並延長摩爾定律的壽命?就像是在城區內有地鐵網路將各個節點互相連結,而城鄉間通過高速公路彼此溝通。這樣,通過橫縱兩個維度的交通網絡,城鄉的溝通變得暢行無阻。Apple和台積電的完美表現,完成了‘Silicon Age 3.0’的任務,同時也為我們正在經歷的‘Silicon4.0’時代暖場。

矽4.0時代:異質整合延摩爾定律

來到矽4.0時代,盧超群認為異質整合設計系統架構(Heterogeneous Integration Design Architecture System;HIDAS)將大量促進IC創新。比如系統級晶片將採用新的架構,使用多度空間佈局各類晶粒,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。

20181109_Etron_NT62P9

矽4.0時代的特徵在於將非半導體但以矽晶製成的Nano System產品,借由技術整合周邊的MEMS、鏡頭、感測器、生物感測器,不再用線性微縮去創造價值,而是讓終端產品的價值放大,是一種「功能X價值的微縮」的概念。

盧超群說:「異質整合成已成為21世紀系統級晶片的主流技術,未來30年就是矽4.0的時代!」

20181109_Etron_NT62P10

IEEE在今年2月也推出了異質整合的發展藍圖(IEEE Heterogenous Integration Roadmap Symposium),盧超群表示,這將再延續類似摩爾定律的每兩年增加的經濟效應,全世界都在推動中。

一個個鮮活的例子

盧超群並列舉多個鈺創產品在IoT、VR/AR和自動駕駛中的應用,特別是外科手術的例子讓小編印象深刻。醫生用無接觸操控技術進行肝臟腫瘤切除手術。如果在以前沒有AI視覺的情況下,手術完成後這個病人可能只剩十分之一的肝臟,而採用了這款3D影像方案動手術,病人能保存90%的肝臟。

20181109_Etron_NT62P12 醫療用途之AI視覺:無接觸操控技術應用於外科手術。由於外科醫生在手術中要戴手套和口罩,無法交流,所以手勢是最佳人機介面。此外,因為內臟一直在蠕動中,所以在給人體內臟開刀過程中,相當於每分鐘都要做GPS定位。(來源:Etron Tech)

另一個跟醫學相關的例子是一家合成生物學公司Senti Bio開發出一顆能監測體內病變情況的晶片藥丸,首先在與人類基因最為相似的豬身上採用。如下圖中豬肚中暗紅色的位置就是胃潰瘍的出血點。盧超群表示,未來當病人吞下這種藥丸,它就會扮演在人體內收集資料以及提供情報的微型電腦。

20181109_Etron_NT62P13

「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。這也是Senti Bio創辦人盧冠達(盧超群之子)正專注研究的細胞療法。

20181109_Etron_NT62P14 (來源:www.cell.com)

總結:半導體未來30年更美好

最後,盧超群還曬出了一張圖,讓我們看到過去花了60年,終於在2017年讓IC產業1.0產值來到4,200億美元(黃色部份)。而圖中綠色代表整合、系統、軟體、電路和晶片的2.0和3.0時代,以及藍色代表的異質整合(矽+非矽) 4.0時代,可讓半導體產業的未來30年前景更加看好,預計整體產值將超過1兆美元。

20181109_Etron_NT62P15

盧超群表示,「矽4.0世代就是要充份利用異質整合技術,結合半導體和應用系統終端技術,從而實現全球半導體產業的產值達到1兆美元的目標——讓摩爾定律不死,製程技術走到1奈米的更高目標。」