數(shù)據(jù)時代對計算提出新需求

在過去的一年半中，全球經(jīng)歷了新冠疫情的肆虐。雖然已經(jīng)有多種疫苗開始實(shí)施接種，但是新冠疫情在未來相當(dāng)長的一段時間里對我們的生活依舊持續(xù)帶來影響。我們很多人已經(jīng)習(xí)慣了通過電子設(shè)備在家辦公、上網(wǎng)課、開會甚至舉辦線上大型會議。2020年，全球市值最大的10家公司中前8家公司都是基于互聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)開展業(yè)務(wù)，另外值得關(guān)注的是半導(dǎo)體制造商臺積電（TSMC）位列第9位。21世紀(jì)將會是數(shù)據(jù)的世紀(jì)，數(shù)據(jù)已經(jīng)成為類似石油的新型資源。大數(shù)據(jù)、圖像分析、機(jī)器學(xué)習(xí)已經(jīng)非常普遍，從數(shù)據(jù)中心、移動設(shè)備到物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備都會成為數(shù)據(jù)處理的主要節(jié)點(diǎn)。高性能計算機(jī)前所未有地成為我們生活中的必需品，并且極大推動了對高算力計算芯片的龐大需求。

傳統(tǒng)集成技術(shù)下的摩爾定律已經(jīng)不再有效

在1965年Gordon Moore提出摩爾定律到今天的近56年中，摩爾定律的效率已經(jīng)逐步衰退到接近失效。Alphabet的董事長John Hennessy于2018年在美國國防高級研究計劃局電子復(fù)興計劃會議（DARPA ERI）上的演講中展示了一張圖片，是過去40年來計算機(jī)性能的增長趨勢。可以看到，在1978年到1986年，計算機(jī)性能的平均每年長率是25%，隨后的1986年到2003年的17年中，年平均增長率增加到52%。接下來的10年，計算機(jī)性能的年平均增長率開始下降到23%，隨后的幾年，進(jìn)一步下降到12%，直到近5年，已經(jīng)下降到了3.5%。

近40年來，計算機(jī)性能增長的趨勢

John Shalf在2019國際超級計算機(jī)會議上的演講中展示了一張圖片，在過去近50年中，計算機(jī)系統(tǒng)在晶體管數(shù)量、單線程性能、時鐘頻率、功耗以及內(nèi)核數(shù)量這5個指標(biāo)上的發(fā)展趨勢?？梢钥吹?，在2021年，這些指標(biāo)都有可能趨于飽和。今天，我們正在面臨摩爾定律的終結(jié)，需要尋找一種新的路徑繼續(xù)提高電子產(chǎn)品的性能。

計算機(jī)技術(shù)發(fā)展趨勢在2021年趨于飽和

國際半導(dǎo)體技術(shù)藍(lán)圖（ITRS）自從1991年誕生到2016年7月發(fā)布了最后的版本，指出半導(dǎo)體體積到2021年將不再縮小。報告認(rèn)為，半導(dǎo)體廠商將面積縮小、放下更多晶體管的做法在經(jīng)濟(jì)上已經(jīng)不劃算。此后，半導(dǎo)體廠商將更多關(guān)注3D芯片等其他技術(shù)增強(qiáng)計算性能。AMD的CEO Lisa Su在2019年的DARPA ERI會議上也展示了隨著工藝節(jié)點(diǎn)從45nm逐步過渡到5nm，單位芯片面積的成本增加到了最初的5倍。

摩爾定律的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)遇到瓶頸

異構(gòu)集成將推動摩爾定律趨勢繼續(xù)有效

2015年，ITRS的異構(gòu)集成（Heterogeneous Integration）研究團(tuán)隊與電氣電子工程師學(xué)會（IEEE）的元器件、封裝、制造技術(shù)學(xué)會（CPMT）簽署了一份諒解備忘錄，宣告異構(gòu)集成藍(lán)圖（HIR）成立并開始完全代替ITRS。HIR 由IEEE的3個學(xué)會（電子封裝學(xué)會EPS、電子器件學(xué)會EDS、光電學(xué)會PS）和半導(dǎo)體設(shè)備和材料國際組織（SEMI） 與美國機(jī)械工程師學(xué)會的電子與光子封裝事業(yè)部 （ASME EPPD）共同組成。目的是為了維護(hù)把不同工藝制造的元器件集成在一起的先進(jìn)封裝技術(shù)的進(jìn)步步伐，以便使當(dāng)今和未來的電子系統(tǒng)得到更增強(qiáng)的功能和操作體驗(yàn)。

異構(gòu)集成通過工藝技術(shù)的多樣性、功能多樣性和材料的多樣性進(jìn)行系統(tǒng)級的集成或3D封裝，將進(jìn)一步推動半導(dǎo)體工業(yè)第四波技術(shù)浪潮以便維持摩爾定律趨勢繼續(xù)有效。技術(shù)多樣性需要將不同工藝節(jié)點(diǎn)的芯片集成在一起，不同于傳統(tǒng)SoC技術(shù)手段去統(tǒng)一追求更先進(jìn)的工藝節(jié)點(diǎn)，對于某些性能優(yōu)異的工作穩(wěn)定的IP或稱為小芯片（Chiplet）可以更長時間停留在較早的工藝節(jié)點(diǎn)上。對于功能多樣性體現(xiàn)在把數(shù)字、模擬、模數(shù)混合、光電子、微機(jī)械等等不同類別的芯片做集成，這在傳統(tǒng)SoC技術(shù)路徑上是很難做到的。材料多樣性是異構(gòu)集成最重要的特性，不局限于傳統(tǒng)CMOS工藝，采用多種工藝結(jié)合的方式，比如采用光學(xué)系統(tǒng)的I/O。

異構(gòu)集成是延長摩爾定律的第4波浪潮

Intel的 Agilex系列FPGA是非常典型的異構(gòu)集成成功案例，它既包含了傳統(tǒng)FPGA靈活的可編程性，又結(jié)合了現(xiàn)代FPGA基于異構(gòu)架構(gòu)的敏捷性。通過Intel定義的EMIB總線將不同工藝節(jié)點(diǎn)的小芯片連接起來。

AMD的EPYC處理器是另一個異構(gòu)集成的案例。在第一代EPYC中，處理器由4個14nm工藝的小芯片組合而成。而到第二代EPYC時，處理器由4組共八個7nm小芯片和一個14nm的I/O芯片組合而成。

以下是幾款主流手機(jī)處理器芯片的切面圖，可以看到，Apple A12采用了WLP Fan-out工藝封裝集成，而三星 EXYNOS9810和華為Kirin980都是采用了先進(jìn)PoP工藝封裝集成。

異構(gòu)集成不僅僅是封裝加工

異構(gòu)集成對傳統(tǒng)的封裝測試廠商（OSAT）提出了更高要求，無論是從系統(tǒng)設(shè)計還是EMI/PI/SI協(xié)同優(yōu)化仿真，熱性能優(yōu)化和結(jié)構(gòu)優(yōu)化仿真都與傳統(tǒng)封裝廠的工藝技術(shù)有較大區(qū)別。未來，承擔(dān)異構(gòu)集成設(shè)計的廠商絕不能僅僅是一家封裝代工廠，而是需要能夠提供完整的先進(jìn)封裝設(shè)計與制造解決方案的廠商。在眾多廠商中，ASE、Amkor具備了優(yōu)秀和完整的整體解決方案。國內(nèi)廠商中，通富AMD和長電收購的星科金朋也有比較強(qiáng)的整體方案能力。

銳杰微科技在異構(gòu)集成方面擁有多年積累

銳杰微在芯片封裝設(shè)計，電性能仿真、分析、優(yōu)化，熱性能分析優(yōu)化，機(jī)械應(yīng)力分析優(yōu)化方面經(jīng)過大量的高端系統(tǒng)化芯片產(chǎn)品的項目經(jīng)驗(yàn)，構(gòu)建了一套獨(dú)特的方案設(shè)計、仿真、優(yōu)化思路，幫助國內(nèi)百余家中高端科研、商業(yè)客戶完成大量業(yè)內(nèi)首創(chuàng)產(chǎn)品，涵蓋國產(chǎn)CPU、GPU、FPGA、DSP以及ADC、手機(jī)處理器、AI、車載控制芯片領(lǐng)域，下面是銳杰微的經(jīng)典案例中比較突出產(chǎn)品：

CPU+FPGA SiP（網(wǎng)絡(luò)處理芯片）

多芯片球陣列網(wǎng)絡(luò)處理器芯片，包含DDR3(1600Mbps)，PCIE2.0(5Gbps)、XAUI(6.25Gbps)等高速信號，該項在有限的空間內(nèi)部封裝有大量的高速信號互聯(lián)，并且實(shí)現(xiàn)互相干擾達(dá)標(biāo)。61mm x61mm的大尺寸封裝同時也對設(shè)計和加工帶來極大挑戰(zhàn)

封裝形式：HFCBGA（Flip Chip Ball Grid Array with Heat Spread）

封裝尺寸：61mm x 61mm

Ball數(shù)量：3576

基板：10 層有機(jī)基板

CPU+FPGA+Flash SiP

該產(chǎn)品同樣屬于大尺寸封裝，50mm x 50mm，高速率、多信號，含 PCIE x 16 3.0，DDR3 x 72，USB 2.0 等高速接口，內(nèi)部集成多芯片，并且結(jié)合Solder Ball 和 Copper Pillar 兩種倒裝工藝形式，基板的設(shè)計和表面處理工藝滿足兩種 Bump 加工工藝的設(shè)計與加工參數(shù)

封裝形式：HFCBGA（Flip Chip Ball Grid Array with Heat Spread）

封裝尺寸：50mm x 50mm

Ball數(shù)量：2089

基板：10 層有機(jī)基板

DSPSiP（處理芯片）

大規(guī)模的HFCBGA 封裝芯片，集高性能、高密度一體化數(shù)字處理模塊，高速串并行信號（PCIE 3.0；Serdes 10.125 Gbps；TDP 60W；內(nèi)部集成 8 顆 4Gb DDR3 4 x 72bit 1600Mbps ）和一顆 Flash 外加一顆 DSP 芯片。DDR 芯片原始設(shè)計為 WB 工藝，銳杰微對該芯片進(jìn)行了 RDL 二次設(shè)計，使 DDR 芯片改為倒裝工藝，在基板的設(shè)計過程中對 DDR 拓樸的排布，封裝一次加工就達(dá)到了項目要求。9 顆大功耗的芯片集成在一個封裝內(nèi)，特別是主芯片電流達(dá)到 30A，在如此小的封裝內(nèi)部很好的滿足了大電流低電壓的電源完整性和散熱問題

封裝形式：HFCBGA（Flip Chip Ball Grid Array with Heat Spread）

封裝尺寸：35mm x 35mm

Ball數(shù)量：1024

基板：10 層有機(jī)基板

銳杰微同時在先進(jìn)封裝領(lǐng)域也積累了2.5D高密度和復(fù)雜TSV 的設(shè)計及應(yīng)用項目經(jīng)驗(yàn)，具備完整的設(shè)計、仿真、產(chǎn)品評估能力，下面是一款從設(shè)計到仿真（信號完整性、電源完整性、結(jié)構(gòu)應(yīng)力）、加工工藝、組裝工藝、表面處理工藝到產(chǎn)品的陶封TSV正反雙腔體、FC和WB混合工藝的SiP封裝產(chǎn)品：

CPGA（陶封）SiP

陶瓷正反雙腔體、TSV 2.5D 封裝結(jié)構(gòu)、21 顆裸芯，正面 WB，反面 FC 混合工藝，包含 DDR3 、FPGA 、DSP 、AD 、Flash 及部分高速差分和模擬信號，大型陶瓷封裝，應(yīng)用在高可靠性領(lǐng)域，封裝采用了先進(jìn)的 2.5D 工藝，封裝內(nèi)部集成了紅外光感芯片，DSPFPGA5片DDRAD芯片，集成度高，功能復(fù)雜。DDR 難度較大，在有限的空間內(nèi)及針對陶瓷基板很好的匹配有限的工藝能力同時實(shí)現(xiàn)大功耗，高頻率的信號連接

封裝形式：CPGA (Ceramic Pin Grid Array)

封裝尺寸：40mm x 40mm

Ball數(shù)量：316

基板：23層陶瓷基板

銳杰微科技是一家高度重視知識產(chǎn)權(quán)的科技企業(yè)，建有一套完整的知識產(chǎn)權(quán)管理體系，不斷激勵創(chuàng)新。在公司發(fā)展的過程中，不斷地獲得政府和產(chǎn)業(yè)的高度認(rèn)可。

在美國對華科技打壓的大背景下，異構(gòu)集成是實(shí)現(xiàn)彎道追趕的最佳路徑

1947年，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了世界上第一個晶體管。直到1956年，中國才成功制成第一根硅單晶棒。1958年，當(dāng)時在TI工作的Jack Kilby做出的世界上首個集成電路。1968年，國防科工委決定在永川建立一個專業(yè)從事集成電路及相關(guān)技術(shù)研究的綜合性研究所——“中國人民解放軍一四二四研究所”，這也是我國第一個集成電路專業(yè)研究所。1972年6月成功研制出了我國第一塊PMOS型大規(guī)模集成電路——120位靜態(tài)移位寄存器（集成了1084個元件/片）。中國的集成電路行業(yè)，從起步就已經(jīng)落后美國十幾年。這個行業(yè)一直是中國在追趕美國的步伐。

美國對中國在集成電路方面的打壓并不是近幾年才有的事情，對于最先進(jìn)的工藝技術(shù)，很多年前就已經(jīng)保持著對華封鎖的態(tài)勢，這也使得中國在工藝代差上始終落后美國至少2~3代。這種代差對于數(shù)字集成電路如CPU的性能影響尤其比較大。在摩爾定律最穩(wěn)定的那段時間，工藝節(jié)點(diǎn)決定了芯片的性能。不過隨著摩爾定律的逐漸退化，近幾年來，用以提升處理器性能的方式已經(jīng)不僅僅是采用先進(jìn)工藝制程等，同時代差的影響已經(jīng)沒有過去那么大了。

隨著多核架構(gòu)、高吞吐存儲等方式的運(yùn)用，采用10nm制程的多芯片異構(gòu)集成方式處理器性能未必會遜色于采用7nm SoC單芯片方式的性能。Intel的Agilex FPGA就是個成功案例。這也給目前中國面臨的巨大國產(chǎn)替代壓力下的集成電路行業(yè)提供了一個新思路。通過已有的工藝能力加工出小芯片（chiplet），用異構(gòu)集成的方式進(jìn)行性能和功能的擴(kuò)展集成，同樣可以實(shí)現(xiàn)小型化、高性能的芯片方案。而且隨著工藝節(jié)點(diǎn)的繼續(xù)升級，這種改善比單純依賴提高工藝水平的性價比高很多。

美國Intel成立了一個名為HI3（Heterogeneous Integration Incorporating Intel）的合作標(biāo)準(zhǔn)組織，發(fā)展Chiplet生態(tài)環(huán)境。目前已經(jīng)有包括Intel、TSMC、GF等多個工藝節(jié)點(diǎn)的數(shù)十個Chiplet量產(chǎn)。

銳杰微科技也已在幾年前就致力于發(fā)展中國自有的chiplet標(biāo)準(zhǔn)，早在2019年就加入了中國軟件定義互連技術(shù)與產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新聯(lián)盟（SDI），于2020年加入了中國計算機(jī)互連技術(shù)聯(lián)盟（CCITA）。在異構(gòu)集成方面，中國完全不必按照美國的路徑追趕。通過建立自己的芯片互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)，完全可以在上一波摩爾定律退化失效而第4波浪潮還未起來的時候彎道趕上。在中美科技對抗的大環(huán)境下，這樣做也是必要的。

原文標(biāo)題：展商動態(tài) | 異構(gòu)集成重新定義封裝在芯片產(chǎn)業(yè)鏈中的地位——銳杰微科技集團(tuán)總裁 劉海川

文章出處：【微信公眾號：ELEXCON深圳國際電子展】歡迎添加關(guān)注！文章轉(zhuǎn)載請注明出處。

責(zé)任編輯：haq