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              深度丨“3D堆疊”技術,半導體大廠繼續深耕

              2022-04-23 15:16 來源:AI芯天下 作者:

              在用于個人電腦和高性能服務器的尖端半導體開發方面,3D堆疊技術的重要性正在提高。

               

              在通過縮小電路線寬提高集成度的微細化速度放緩的背景下,3D技術將承擔半導體持續提高性能的作用。

               

              微細化技術持續發展

               

              英特爾1971年發布的首款CPU的元件數僅有約2300個;而蘋果最新發布的M1芯片元件數達到160億個,增至約700萬倍。

               

              但是,進入2010年代后,線寬接近原子的尺寸,微細化的速度開始放緩。

               

              在此情況下,受到關注的是將多枚芯片縱向堆疊的3D以及橫向排列連接的技術,可以不依賴微細化提高半導體的功能。

               

              目前,由于摩爾定律的限制,在提高芯片性能的方向上,研發人員開辟了另外一個新的路徑,即利用3D技術通過有效堆疊多個芯片來提高半導體的綜合性能。

               

              法國調查公司Yole預測稱,包括3D等技術在內的尖端半導體封裝的2026年市場規模將增至2021年的1.5倍,達到519億美元。

               

              隨著技術創新,半導體領域將誕生新的火車頭,相關市場也有望擴大。

               

              3D堆疊技術出現的原因

               

              現代芯片的功能越來越復雜,芯片尺寸也越來越大,導致工藝技術越來越復雜,由此帶來了成本問題:不但制造成本高,設計成本也越來越高。

               

              為了應對這個問題,很多人想到了使用模塊化設計方法,即把功能塊分離成小型模塊,做成一個個高良率、低成本的芯粒,然后根據需要靈活組裝起來,即把芯片合理剪裁到各種不同的應用。

               

              而傳統的3D IC技術則是將多塊芯片堆疊在一起,并使用TSV技術將不同的芯片做互聯。

               

              目前,3D IC主要用在內存芯片之間的堆疊架構和傳感器的堆疊,而2.5D技術則已經廣泛應用在多款高端芯片組中。

               

              現在,抓住先進封裝和3D集成提供的機會,芯粒為安全可靠的電子系統設計開辟了新的領域。

               

              通過調整放置在一個芯片封裝中的芯粒數量,就可以創建不同規模的系統,大大提升了系統設計的靈活性和可擴展性,同時也大大降低了研發成本,縮短了研發周期。

               

              總體上看,3D堆疊技術在集成度、性能、功耗等方面更具優勢,同時設計自由度更高,開發時間更短,是各封裝技術中最具發展前景的一種。

               

              當前,隨著高效能運算、人工智能等應用興起,加上用于提供多個晶圓垂直通信的TSV技術愈來愈成熟,可以看到越來越多的CPU、GPU和存儲器開始采用3D堆疊技術。

               

              國際大廠們之間的3D堆疊大戰

               

              ·AMD:AMD宣布全面推出世界首款采用3D芯片堆疊的數據中心CPU,即采用AMD 3D V-Cache技術的第三代AMD EPYC處理器,代號[Milan-X]。

               

              這些處理器基于Zen 3核心架構,進一步擴大了第三代EPYC處理器系列產品,相比非堆疊的第三代AMD EPYC處理器,可為各種目標技術計算工作負載提供高達66%的性能提升。

               

              采用AMD 3D V-Cache技術的第三代AMD EPYC處理器使AMD能夠帶來業界首個采用3D芯片堆疊技術且專為工作負載而生的服務器處理器。

               

              ·臺積電:美國加州圣塔克拉拉第二十四屆年度技術研討會上,臺積電首度對外界公布創新的系統整合單芯片(SoIC)多芯片3D堆疊技術。

               

              SoIC技術是采用硅穿孔(TSV)技術,可以達到無凸起的鍵合結構,可以把很多不同性質的臨近芯片整合在一起。

               

              能直接透過微小的孔隙溝通多層的芯片,達成在相同的體積增加多倍以上的性能。

               

              ·英特爾:困于10nm的英特爾也在這方面尋找新的機會,推出其業界首創的3D邏輯芯片封裝技術 Foveros,Foveros首次引入3D堆疊的優勢,可實現在邏輯芯片上堆疊邏輯芯片。

               

              英特爾今年7月展現了RibbonFET新型晶體管架構,全新的封裝方式可以將NMOS和PMOS堆疊在一起,緊密互聯,從而在空間上提高芯片的晶體管密度。

               

              ·佳能:佳能正在開發用于半導體3D技術的光刻機,最早在2023年就會面市。

               

              3D光刻機的曝光面積擴大至現有產品的約4倍,佳能是在原基礎上改進透鏡和鏡臺等光學零部件,來提高曝光精度,增加布線密度,從而實現3D光刻。

               

              ·格芯:格芯宣布推出適用于高性能計算應用的高密度3D堆疊測試芯片,該芯片采用格芯 12nm Leading-Performance (12LP) FinFET 工藝制造。

               

              運用Arm 3D網狀互連技術,核心間數據通路更為直接,可降低延遲,提升數據傳輸率,滿足數據中心、邊緣計算和高端消費電子應用的需求。

               

              ·IME:IME新一代半導體堆疊法,透過面對面和背對背晶圓鍵合與堆疊后,以 TSV結合,相較臺積電和AMD的SRAM堆疊技術,IME新技術更進一步。

               

              ·華為:去年華為曾被曝出[雙芯疊加]專利,這種方式可以讓14nm芯片經過優化后比肩7nm性能,但當時曝光的這種通過堆疊的方式與蘋果的Ultra Fusion架構還是有所不同。

               

              雖然同樣是指雙芯片組合成單個主芯片,但蘋果與華為可以說是兩種截然不同的方式。

               

              采用面積換性能,用堆疊換性能,使得不那么先進的工藝也能持續讓華為在未來的產品里面,能夠具有競爭力。

               

              結尾:

               

              如果將各種芯片結合起來的3D技術得到普及,專注于設計的無廠半導體廠商之間、以及與后工序代工企業等的合作將提高重要性。

               

              以3D半導體的開發和制造技術為核心,半導體廠商的行業勢力版圖有可能發生改變。

               

              部分資料參考:

              電子產品世界:《摩爾定律如何繼續延續:3D堆疊技術或許是答案》

              日經中文網:《“3D堆疊”推動半導體繼續進化》


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