晶體管封裝數(shù)量提高十倍，晶圓代工巨頭大秀硅光封裝“肌肉”

近日在國(guó)際固態(tài)電路大會(huì)（ISSCC 2024）上，臺(tái)積電正式公布了其用于高性能計(jì)算 （HPC）、人工智能芯片的全新封裝平臺(tái)，該技術(shù)有望將芯片的晶體管數(shù)量從目前的1000億提升到1萬(wàn)億。

臺(tái)積電業(yè)務(wù)開發(fā)資深副總裁張曉強(qiáng) （Kevin Zhang） 在演講中表示，開發(fā)這項(xiàng)技術(shù)是為了提高人工智能芯片的性能。要想增加更多的HBM高帶寬存儲(chǔ)器和chiplet架構(gòu)的小芯片，就必須增加更多的組件和IC基板，這可能會(huì)導(dǎo)致連接和能耗方面的問題。

張曉強(qiáng)強(qiáng)調(diào)，臺(tái)積電的新封裝技術(shù)通過(guò)硅光子技術(shù)，使用光纖替代傳統(tǒng)I/O電路傳輸數(shù)據(jù)。而另一大特點(diǎn)是，使用異質(zhì)芯片堆棧在IC基板上，采用混合鍵合來(lái)最大化I/O，這也使得運(yùn)算芯片和HBM高帶寬存儲(chǔ)器可以安裝在硅中介層上。他還表示，這一封裝技術(shù)將采用集成穩(wěn)壓器來(lái)處理供電的問題。

臺(tái)積電表示，當(dāng)今最先進(jìn)的芯片可以容納多達(dá) 1000 億個(gè)晶體管，但新的先進(jìn)封裝平臺(tái)技術(shù)可以將其增加到 1 萬(wàn)億個(gè)晶體管。該封裝中將采用集成穩(wěn)壓器來(lái)處理供電問題，但他并未提及該技術(shù)何時(shí)商業(yè)化。

此外，張曉強(qiáng)還提到，臺(tái)積電3nm工藝很快就能應(yīng)用于汽車。


臺(tái)積電頻頻布局

值得注意的是，去年以來(lái)，臺(tái)積電已頻頻傳出布局硅光及CPO的動(dòng)向。

2023年9月曾有消息稱，臺(tái)積電正與博通、英偉達(dá)等大客戶聯(lián)手開發(fā)硅光及CPO光學(xué)元件等新品，最快2024年下半年開始迎來(lái)大單，2025年有望邁入放量產(chǎn)出階段。

彼時(shí)業(yè)內(nèi)人士透露，臺(tái)積電未來(lái)有望將硅光技術(shù)導(dǎo)入CPU、GPU等運(yùn)算制程當(dāng)中，內(nèi)部的電子傳輸線路更改為光傳輸，計(jì)算能力將是現(xiàn)有處理器的數(shù)十倍起跳。

而臺(tái)積電副總裁之前曾公開表示，如果能提供一個(gè)良好的“硅光整合系統(tǒng)”，就能解決能耗與AI運(yùn)算能力兩大關(guān)鍵問題，“這會(huì)是一個(gè)新的典范轉(zhuǎn)移。我們可能處于一個(gè)新時(shí)代的開端。”

業(yè)內(nèi)分析稱，高速資料傳輸目前仍采用可插拔光學(xué)元件，隨著傳輸速度快速進(jìn)展并進(jìn)入800G時(shí)代、未來(lái)更將迎來(lái)1.6T至3.2T等更高傳輸速率，功率損耗及散熱管理問題將會(huì)是最大難題。而半導(dǎo)體業(yè)界推出的解決方案，便是將硅光子光學(xué)元件及交換器ASIC，通過(guò)CPO封裝技術(shù)整合為單一模組，此方案已開始獲得微軟、Meta等大廠認(rèn)證并采用在新一代網(wǎng)路架構(gòu)。

國(guó)內(nèi)硅光工藝平臺(tái)

要說(shuō)開放硅光工藝平臺(tái)的話，國(guó)內(nèi)也有，比如中科院微電子所的硅光子平臺(tái)、聯(lián)合微電子中心的硅光工藝平臺(tái)，除此之外中芯國(guó)際下的中芯集成電路（寧波）的光電集成業(yè)務(wù)中也有SOI異質(zhì)光電集成，不過(guò)目前其工藝平臺(tái)支持似乎只有RFSOI和HVBCD，分別為射頻前端和高壓模擬。

與國(guó)外相比，國(guó)內(nèi)的開放硅光工藝平臺(tái)在先進(jìn)程度上要稍遜色一些，而且整體規(guī)模要小一些，以180nm/130nm和8英寸晶圓為主，但同工藝節(jié)點(diǎn)下的性能其實(shí)并不輸國(guó)外，而且國(guó)內(nèi)的硅光設(shè)計(jì)公司已經(jīng)開始嶄露頭角。

聯(lián)合微電子中心的硅光工藝平臺(tái)應(yīng)該是國(guó)內(nèi)發(fā)展最快的了，這家2018年成立的公司在不到4年的時(shí)間里，就已經(jīng)提供了180nm的硅光成套工藝CSiP180AI，以及加入雙層銅互連技術(shù)的130nm工藝CSiP130Cu，同時(shí)還有300nm的碳化硅光電工藝CSiN300和3D異構(gòu)集成工藝C3DS10。

同樣值得注意的是，原材料價(jià)格上漲帶來(lái)的漲價(jià)潮同樣影響到了硅光芯片，比如聯(lián)合微電子就在今年年初發(fā)布了漲價(jià)通知，表示由于掩膜版等原材料大幅上漲，將把SOI無(wú)源MPW的流片價(jià)格從4萬(wàn)元/block提升至48000元/block。


未來(lái)面臨的挑戰(zhàn)

隨著摩爾定律逐漸遭遇天花板，硅光子技術(shù)的投入研發(fā)再次被重視，越來(lái)越多的科技公司開始加大對(duì)硅光子技術(shù)領(lǐng)域的研發(fā)投入。

尤其，在10nm后硅基CMOS摩爾定律開始失效，傳統(tǒng)集成電路、器件提升帶寬模式逼近極限。

相比之下，硅光技術(shù)有機(jī)結(jié)合了成熟微電子和光電子技術(shù)，既減小了芯片尺寸，降低成本、功耗、又提高了可靠性，成為“超越摩爾”的新技術(shù)路徑。面對(duì)硅光子技術(shù)的確定性發(fā)展趨勢(shì)，海內(nèi)外巨頭公司瞄準(zhǔn)硅光子技術(shù)新賽道。

據(jù)YOLE分析，硅光子在光收發(fā)器市場(chǎng)的份額預(yù)計(jì)到2027年可能會(huì)從目前的20％擴(kuò)大到30％左右；用于消費(fèi)者健康設(shè)備的硅光子學(xué)預(yù)計(jì)到2027年復(fù)合年增長(zhǎng)率將達(dá)到30％，達(dá)到2.4億美元；用于人工智能和其他高端計(jì)算應(yīng)用的光子處理器的復(fù)合年增長(zhǎng)率將達(dá)到142％，達(dá)到2.44億美元。

相比之下，硅光子芯片封裝也面臨著困擾：芯片封裝是任何芯片的必經(jīng)流程，關(guān)于硅光子的芯片封裝問題，這是目前行業(yè)的一大痛點(diǎn)。

因此，硅光芯片的封裝主要分為兩個(gè)部分：其一是光學(xué)部分的封裝，其二則是電學(xué)部分的封裝。

目前，從光學(xué)封裝角度來(lái)說(shuō)，因?yàn)楣韫庑酒捎玫墓獾牟ㄩL(zhǎng)非常的小，跟光纖存在著不匹配的問題，與激光器也存在著同樣的問題。不匹配的問題就會(huì)導(dǎo)致耦合損耗比較大，這是硅光芯片封裝與傳統(tǒng)封裝相比最大的區(qū)別；用硅光做高速的器件，隨著性能的不斷提升，Pin的密度將會(huì)大幅度增加，這也會(huì)為封裝帶來(lái)很大的挑戰(zhàn)。

不難發(fā)現(xiàn)，作為下一代的半導(dǎo)體技術(shù)，其技術(shù)本身的起步已很早就開始，早在上世紀(jì)九十年代，就提出了有關(guān)的一些概念，是為了在芯片發(fā)展到物理極限后取而代之，以延續(xù)摩爾定律。

21世紀(jì)初開始，以Intel和IBM為首的企業(yè)與學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)就開始重點(diǎn)發(fā)展硅芯片光學(xué)信號(hào)傳輸技術(shù)，期望有朝一日能用光通路取代芯片之間的數(shù)據(jù)電路；

不久前，臺(tái)積電宣布聯(lián)手英特爾押注硅光子芯片，加上近期又傳出蘋果在研究硅光子芯片的應(yīng)用，硅光子芯片開始進(jìn)入大眾視野。

放眼未來(lái)，伴隨著人工智能、物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展，硅光子芯片在智能終端、大數(shù)據(jù)、超算等領(lǐng)域?qū)l(fā)揮巨大作用，正是有著如此多的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，在大數(shù)據(jù)、生命科學(xué)、激光武器等高端領(lǐng)域其作用不可替代。