三維整合與小晶片

異質整合(heterogeneous integration)

幾十年來,造出更好晶片最省錢的辦法,就是把所有東西——邏輯、快取、I/O、類比——統統縮小,擠在同一塊大矽片上,用同一套製程、同一片晶圓做出來。但這種「一刀切」的划算買賣如今已經撐不住了。那種能讓邏輯又快又密的最尖端電晶體,用在一塊類比或 I/O 電路上完全是浪費(而且很貴),因為這些電路根本沾不到它的光;大晶片更容易碰上缺陷、良率更差;況且沒有哪一套製程能樣樣都做到最好。異質整合就是答案:與其硬把每一種功能都塞進同一套製程,不如讓每個模組都用最適合它的製程去做,再把這些各自獨立的裸晶在同一個封裝裡縫合起來,讓它們表現得像一顆完整的晶片。

可以把它想成造一輛高效能汽車。你不會因為鈦材料拿來做引擎好,就把引擎、輪胎、電池和座椅全都用一整塊鈦車出來。你會給每個部件挑最合適的材料,再把它們組裝到一起。異質整合對矽做的正是這件事:尖端邏輯用領先的 3nm 級節點,高密度記憶體用 DRAM 製程,類比與射頻用一個看重耐壓而非速度的舊節點,甚至還能用矽光子來做光互連——每一塊都跑在最契合它的製程上,再靠一個中介層(interposer)或帶矽穿孔(TSV)的 3D 堆疊把它們連起來。小晶片、2.5D/3D 封裝、中介層上的 HBM,以及像 UCIe 這樣的裸晶間互連標準,都是在為這個總的思路服務。

有兩股來自路線圖的壓力,讓這件事遠不止是圖個方便。第一是良率與成本:幾顆較小、又各自測試過的「已知良品裸晶」,造起來要比一整塊巨大的單晶片式裸晶便宜得多,因為一個缺陷毀掉的矽料更少。第二是記憶體牆:一顆餓著頻寬的處理器,可以和一摞高高的記憶體一起待在同一個封裝裡、只隔幾微米,用上千條又短又並行的連接,這是任何一根電路板走線都望塵莫及的。把對的元件、各用對的製程、緊緊封裝在一起,對整體進步的重要性,已經不亞於把電晶體本身繼續縮小了。

Monolithic SoC            Heterogeneous package
+------------------+       +-----------------------------+
| logic | mem | IO |       | logic |  | HBM  |  | analog |
| analog (all 3nm) |       | 3nm   |  |stack |  | (28nm) |
|  one big die,    |       +-----------------------------+
|  one process     |       | silicon interposer / TSVs    |
+------------------+       +-----------------------------+
  one defect = whole         each die on its best node,
  die scrapped               known-good before assembly

左:所有功能都擠在一顆裸晶、一套製程上,一個缺陷就可能把整片報廢。右:每個模組都用最契合它的節點做出來、並作為已知良品裸晶測試過,再透過一個共用的中介層連接起來。

一旦單靠縮小電晶體不再能輕鬆換來進步,封裝——而不只是裸晶——就成了進步的一條主軸,這也正是先進封裝如今處在整個產業關鍵路徑上的原因。

又稱
HI