小晶片(Chiplet)趨勢的崛起與發展態勢

劉佩真
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有鑑於半導體製程技術逼近已知的物理極限,為了持續強化處理器性能,Chiplet的趨勢逐步崛起,Chiplet是透過先進封裝技術讓多個小晶片形成系統級封裝(SiP),它能夠將具備不同功能的小晶片,也就是藉由先進封裝技術整合於單一基板上,甚至Chiplet技術可以整合面積相對小、製造良率相對高的各種小晶片來提升晶片性能及其製造良率,亦有降低設計的複雜度和設計成本的優勢,顯然能夠簡化設計、製造流程且有效提升晶片性能、延續摩爾定律的Chiplet技術具有發展潛力,此亦為異質整合的重要方向之一。

簡言之,Chiplet主要是將大晶片化整為零,單顆晶片本質上是IP硬件化,Chiplet可視為是多顆硬件化的IP集合。至於此技術是否將成為中國突圍美國半導體封鎖的方式,也備受市場關注,畢竟原先摩爾定律可望正常延續的常規作法,即透過EUV設計來做製程上延伸,此途徑已遭美國截斷,因而中國勢必尋求其他路徑。

圖片來源:達志影像/路透社

IC製造技術朝向Moore’s Law、More than Moore’s Law、Beyond Moore’s Law等三個做法

EUV微影被視為是摩爾定律能持續往下走的關鍵,因而包括台積電、Samsung、Intel紛紛於先前幾年陸續導入EUV製程技術。然而EUV的導入對於晶圓代工與半導體設備廠卻是需要共同來克服重重的困難,包括生產性降低、EUV曝光裝置消費電力過大、光阻pattern限制的問題-LER、光罩防塵薄膜—Pellicle等課題;整體來說,EUV微影技術的實用化,需整合研發光源、光學系統、光罩、光阻、普光裝置等各項技術,然而製程微縮除了對製程穩定度帶來壓力外,在成本的控管上亦是相當嚴肅的課題。

因而現階段全球半導體業者對於走入極限的先進製程微縮節點問題使IC製造技術將有三種策略來因應,首先是延續原有CMOS技術的發展概念,如藉由EUV製程的導入來進行延展,但之後所遭遇的物理極限問題會日趨嚴重,如先進曝光機、刻蝕機等設備研發技術難度大。

其次則是藉由類摩爾定律的異質整合來達成,意即由應用需求驅動未來晶片設計功能的多樣化,跳脫摩爾定律對集積度的執著,只從應用看整合,如透過3D IC等封裝技術來整合電源、感測促動器、無線電、高頻元件、無線充電、生物晶片等功能進入到晶片的設計與製造當中,符合台積電創辦人張忠謀先生所說的用創造橫向應用來克服摩爾定律失效的問題。

其中Chiplet也是其中的方式之一,顯然由於既有生態系可能無法提供最佳解決方案,整合性晶片成為重要趨勢之一,從系統設計來看,各種硬體功能可以分割成小晶片,各種Chiplet可透過不同的IC技術節點製造,甚至使用非矽材料因應低成本和效能需求,根據Omdia的預測數據可知,2024年全球Chiplet市場規模將達到58億美元,2035年將超過570億美元,顯然具有相當的成長潛力。

最後則是跳脫原有以矽為基礎的CMOS元件製程,以新材料(如奈米碳材、寬能隙材料)、新技術來創新更高性能、低功耗、相容於現有製程,同時具備成本優勢的製造型態,而光+電整合新時代—矽光子元件的發展、Micro LED應用於矽光子晶片的可能性、量子電腦技術的實現均將是Beyond Moore’s Law此作法中重要技術的突破點。

中國試圖採取Chiplet來突破美國的封鎖,此態勢值得關注

中國 2021年之前幾乎未提及Chiplet技術,但目前則開始大力朝此方向來著力,也就是對岸從地方到中央政府,將該技術視為增強中國半導體關鍵和尖端技術能力更廣泛的戰略布局之一,畢竟美國對於中國在半導體方面的設限持續加大,不但美國《晶片法案》中對於領取補助款業者未來到中國的投資設限嚴格,且美國更順利聯合荷蘭、日本加入美國半導體設備的出口限制陣容,甚至美方也將限制美企對中國特定領域的投資,預料將涵蓋特定類型的先進半導體、量子運算及人工智慧,上述情況皆反映美國對中國的半導體圍堵措施與攻勢來勢洶洶,也迫使中國企圖採取Chiplet來突破美國的封鎖。

但目前市場上的Chiplet產品,是各家大廠自行發展出來的成果,故目前半導體業內存在多種不相通的Chiplet互連技術,導致Chiplet生態系呈現碎片化的局面;同時因Chiplet發展處於起步時期,導致中國熟悉Chiplet設計的人才養成仍處於較為困難的階段。

再者,Chiplet需要將原本整合在SoC裡的功能應該進行拆分,而如何設計多顆Chiplet間的互連架構,甚至是晶片堆疊後棘手的散熱問題等,還有晶片測試、軟體配合、責任劃分等多個方面的挑戰,皆是進行Chiplet所會面臨的困境,而這些新挑戰都需要對應的設計流程、方法論與工具來支援。

整體而言,中國企業在Chiplet方面進展較慢,反觀國際半導體巨頭例如台積電、Samsung、AMD、Intel、聯發科、Nvidia、Qualcomm、等業者布局腳步相對較快,因而中國要藉由Chiplet突破美國半導體封鎖線,尚有一定的難度。

此文章與信傳媒同步刊登

作者為台經院產經資料庫總監、APIAA理事

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