美国押注3D封装为芯片未来做准备

　　近年来，从媒体的报道中我们得知，3D封装在未来必然在未来扮演重要的角色。作为世界领先的集成电路国，美国在这方面也拥有同样的观点。

　　据报道，美国商务部国家标准与技术研究院 (NIST) 先进制造办公室已选择半导体研究公司 (SRC) 通过广泛的社区参与来定义微电子行业的未来技术目标并确定怎么来实现这些目标。他们同时指出，佐治亚理工学院与 src合作，将在该路线图工作的治理中发挥关键作用，并作为主要贡献者。

　　3D 系统封装研究中心执行董事 Madhavan Swaminathan 表示：“我们的工作对于重新获得美国在先进封装制造领域的领导地位至关重要，因为我们利用我们在 3D 微系统方面的专业相关知识，将未来的异构信息、通信和其他不同的设备集成到一个单一系统中，为可信微电子提供途径。”

　　而据研究中心的报道显示，乔治亚理工学院 3D Systems 封装研究中心 (PRC) 是一个源自于NSF 工程研究中心，是一家专注于先进封装和系统集成，以此来实现封装系统 (SoP) 技术。该中心在包装的每个方面进行研究和教育，包括设计、材料、工艺、组装、热管理和应用驱动的集成，这中间还包括高性能计算、人工智能、汽车、宽带无线和空间等广泛领域。中心团队由来自五所学校的29名教职员工、11名研究/管理人员、50多名研究生/本科生和数名客座工程师组成。这是一个由48 家行业/政府机构以及14 所大学一同推动的项目。

　　中心认为，世界正在朝着由AI (AI) 支持的系统发展，因此我们大家都认为这是系统集成的主要驱动力。图 1 显示了未来 15 年基于神经形态传感和计算的汽车、工业和移动领域的预期市场规模，这代表了一个相当大的机会。如果一个人专注于传统计算，那么 CMOS、CPU 和 GPU 设备和架构的使用会受到摩尔定律、内存墙和热墙的限制，如图 1 所示，因此就需要具有更好内存访问的神经形态传感和计算。这是佐治亚理工封装中心的技术愿景。

　　中心同时指出，使用硬件中的神经进化从环境中持续学习的示例表明，我们应该在没有 (i) 预训练的深度神经网络 (DNN) (ii) 标记数据集和 (iii) 与 由于延迟导致的后端云服务器，如图 2 所示。对此类新兴应用程序，要求使用进化算法不断进化 DNN 拓扑以响应奖励，该进化算法需要比 CPU 和 GPU 高 2 到 5 个数量级能效的芯片。对此类架构，具有低能量每比特 (EPB) 和高带宽密度的数据移动变得至关重要。数据移动可大致分为两个主要部分，即：i) 长距离，在需要无线技术的情况下，从环境中进行交互和数据收集变得至关重要；ii) 支持节能计算的短距离，如图 2 所示。

　　图 3 显示了在单个平台上结合无线和计算功能的系统架构，它由在集成基板上互连在一起的多个小芯片组成。这些小芯片来自多个领域，包括逻辑、高带宽存储器 (HBM)、射频 (RF)、光子学 (PIC) 和传感/驱动。这些小芯片紧密集成，支持结合了 CPU、GPU 和 ACC（加速器）的高性能计算 (HPC)，集成了电力输送和管理，并通过宽带 5G 和超过 5G (6G) 的无线连接与环境交互。

　　这种融合的封装系统 (SoP) 模块将通过短距离、大规模并行 (Cu) 互连使用 2.5D 和 3D 连接互连芯片，用于使用超越 CMOS 器件的数字通信、用于射频的嵌入式 III-V 裸片（腔内裸片）放大器、使用硅光子学 (PIC) 的 SerDes 模块中的光子互连、具有连接到嵌入式无源器件的 GaN 功率 FET 的开关稳压器、天线阵列 (FEM) 和全方位的热管理解决方案等等。

　　这种未来的异构 SoP 模块与 IEEE 异构集成路线图 一致，该路线图为电子行业提供了愿景，并确定了与封装技术相关的未来挑战和潜在解决方案。我们始终相信，与片上系统 (SoC) 或使用当今实践的多级封装相比，SoP 方法将带来增强的功能和改进的操作特性。

　　多年来，系统集成是由片上系统 (SoC) 技术推动的，因此导致具有可扩展设备的更大 SoC。随着向异构集成的发展，我们正真看到对集成的需求远远超出多芯片模块 (MCM)、系统级封装 (SIP) 和 3D 堆栈，并提供此类技术没办法实现的属性。

　　因此，我们的愿景是开发下一代 SoP 技术，将封装和电路板融合在一起，包含涵盖多个信号域的嵌入式功能，提供与 SoC 的无缝接口，可以在两侧组装或嵌入到封装中，并且高度可靠 ，如图 4 所示。我们将这种异构集成的系统模块视为延续摩尔定律的一种手段。

　　产业研究机构Yole Développement(Yole)的最新研究指出，在AI、资料中心和HPC发展的推动下，FCBGA封装的营收预期将从2020年的100亿美元成长至2025年的120亿美元。FCBGA封装未来五年的产业规模年平均复合成长率(CAGR)达3%。截至2025年，FCBGA营收预期将超过100亿美元。晶圆需求大多数来源于3D堆叠元件，与2020年相较，晶圆总体成长为CAGA 8.5%。

　　其中包含FCBGA、扇出型、WLCSP和3D堆叠封装，3D堆叠IC的目标是在未来五年中以24.8％的CAGR成长，其中HBM占48%、3D占27%，而3D NAND占82%。台积电仍保持领头羊，其2019年占扇出型封装市场69%市占率。WLCSP封装在智慧手机相关应用中慢慢的变成了不可或缺的一环。另外，日月光半导体、江苏长电科技、安靠科技和矽品是WLCSP晶圆市场的领导厂商。

　　中介层、EMIB、Foveros、die对die的堆叠、ODI、AIB和TSV。所有这些单词和首字母缩写词都具有一个重要的功能，它们都涉及硅的两个位之间如何物理连接。简单来说，能够最终靠印刷电路板连接两个芯片。这种方案很便宜，但没有过大的带宽。在这个简单的实现之上，还有多种办法能够将多个小芯片连接在一起，而台积电拥有许多这样的技术。为了统一其2.5D和3D封装变体的所有不同名称，TSMC在早前的技术大会上推出了其新的首要品牌：3DFabric。

　　3DFabric作为一个品牌具有一定的意义，可以将台积电提供的数十种封装技术结合在一起。从广义上讲，3DFabric分为两个部分：一种原因是所有“前端”芯片堆叠技术，例如晶圆上芯片，而另一方面是“后端”封装技术，例如InFO（Integrated Fan-Out)）和CoWoS（Chip-On-Wafer-On-Substrate）。

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