來源：半導(dǎo)體芯科技編譯

在過去幾十年里，摩爾定律(Moore’s Law)已被淘汰的預(yù)言不絕于耳，對于這個行業(yè)來說，這并不令人震驚。然而，令人驚訝的是，市場驗證過的替代產(chǎn)品數(shù)量令人眼花繚亂，而且還在不斷增長。其中包括各種類型的先進封裝，其中一些已經(jīng)在使用中，以及大量的新材料、新穎的互連方案，以及增加現(xiàn)有工藝節(jié)點密度的不同方法。因此，盡管幾乎所有的設(shè)計或制造障礙都可以通過足夠的時間、精力和投資來克服，但在大多數(shù)情況下，有多種方法可以實現(xiàn)相同的目標，提高性能、降低功率，在某些情況下，還可以以更低的成本實現(xiàn)。

“我們最近看到的趨勢是，能夠?qū)⒆钕冗M的技術(shù)的價值貨幣化的公司越來越少，”Lam Research計算產(chǎn)品副總裁David Fried說?！?納米技術(shù)的客戶比7納米技術(shù)的客戶少，7納米技術(shù)的客戶比10納米技術(shù)的客戶少，因為能夠從開發(fā)這些新產(chǎn)品所需的大量資本投資中提取價值的公司數(shù)量較少。你會看到這種趨勢繼續(xù)下去。如果你不能利用規(guī)?；膬r值，無論是實力、性能、面積還是產(chǎn)量，那么你就不應(yīng)該規(guī)?；＿@個決定必須在產(chǎn)品層面做出。某些產(chǎn)品將由他們的所有者分析固定成本和經(jīng)常性成本，所有者將決定，如果你保持在7nm，而不是跳到5nm，業(yè)務(wù)方面會更好。你會看到很多公司做出這樣的決定?！?/p>

圖1:摩爾定律及其實際應(yīng)用。來源:Max Roser, Hannah Ritchie, CC BY 4.0via Wikimedia Commons/Wikipedia

雖然一些器件和市場將支持持續(xù)的經(jīng)濟規(guī)模，但目前還不清楚在單個SoC與先進封裝中會完成多少。

Fried說:“公司對他們想用最先進的技術(shù)生產(chǎn)的產(chǎn)品非常挑剔。“他們使用最先進的技術(shù)制造產(chǎn)品中密度最高的部分，這完全是一種功能集成。即使他們無法通過訪問那些先進節(jié)點獲得直線數(shù)據(jù)流性能，他們也可以在相同的內(nèi)存占用區(qū)中獲得更多的數(shù)據(jù)流和數(shù)據(jù)路徑。顯然，他們已經(jīng)做了計算，表明他們可以在產(chǎn)品層面盈利是一個優(yōu)勢。”

然而，每個自定義配置都有其獨特的權(quán)衡。平面縮放由代工廠的工藝規(guī)則定義的。展望未來，在芯片將如何封裝和使用，這些需要權(quán)衡。因此，器件可能包括在不同流程節(jié)點上開發(fā)的不同芯片或芯片，這些芯片可能會根據(jù)最終應(yīng)用程序和用例以及正在處理的數(shù)據(jù)類型而有很大的差異。在AI/ML的情況下，它可以根據(jù)所需的準確性或精度水平而變化。

更糟糕的是，還需要根據(jù)封裝或系統(tǒng)中的其他組件的可變性來理解器件。噪聲會影響相鄰芯片的信號完整性。機械應(yīng)力會引起翹曲，并影響各種類型的互連線。清潔、拋光、剝離和蝕刻留下的納米顆粒會破壞系統(tǒng)的功能。同樣，組件的可用性、EDA工具的差距以及人才的短缺也會造成影響。

隨著選擇數(shù)量的增加，以及芯片制造商針對不同終端市場客戶的需求，選擇變得更加令人困惑。例如，在汽車領(lǐng)域，有多種可能的架構(gòu)來處理安全關(guān)鍵數(shù)據(jù)，不同的汽車制造商通常采用獨特的方法來優(yōu)化各種功能。同樣，云數(shù)據(jù)中心已經(jīng)開發(fā)并繼續(xù)完善針對其特定需求和數(shù)據(jù)類型而設(shè)計的芯片架構(gòu)。在其他市場，軟件功能越來越多地與專門為這些功能開發(fā)的硬件相匹配，無論是這些功能集成到一個芯片、多個芯片縫合在一起，或多個不同的芯片或芯片封裝在一起。

imec高級研究員Eric Beyne表示:“某些技術(shù)對某些解決方案或某些問題有好處，但它們不會對所有問題都有好處。”“因此，對于扇入、扇出和封裝內(nèi)層壓板系統(tǒng)，確實有一整套技術(shù)將會很有用。但這取決于你想解決什么問題。如果你想想手機的射頻模塊，它們實際上是50個組件的集合。但這些部件的連接相對較少。你無法在AI內(nèi)存邏輯分區(qū)中實現(xiàn)同樣的互連密度?！?/p>

圖2:三維互聯(lián)景觀。來源:imec

在這種情況下，可伸縮性只是前沿設(shè)計的眾多因素之一，甚至同一封裝內(nèi)的數(shù)字邏輯也可能在不同的節(jié)點上開發(fā)，這取決于不同類型的數(shù)據(jù)對終端用戶的重要程度。例如，AI處理(或機器學(xué)習(xí)或深度學(xué)習(xí))數(shù)據(jù)，越來越多地包含在器件中，利用了與CPU或MCU中的傳統(tǒng)處理元素不同的架構(gòu)。人工智能芯片結(jié)果的準確性和及時性取決于數(shù)據(jù)在局部存儲器之間來回移動的速度、不同處理元素的性能和數(shù)據(jù)的量——質(zhì)量好的數(shù)據(jù)越多越好——以及這些芯片是被用于數(shù)據(jù)中心還是邊緣設(shè)備。它可能需要進一步細化，以支持并行或異步處理，或兩者兼而有之。雖然這對人工智能芯片很有效，但對于設(shè)備內(nèi)的其他類型的數(shù)據(jù)或功能來說，這肯定不是一種節(jié)能的方法。

許多前進的道路

摩爾定律一度被認為是半導(dǎo)體進步的基準，但它本身正在分裂。技術(shù)擴展可以繼續(xù)，在3納米的時候獲得足夠的產(chǎn)量將是一個挑戰(zhàn)。不過，沒有任何一種技術(shù)能夠阻礙繼續(xù)擴大規(guī)模。

真正的限制因素是成本，這促使芯片制造商尋找替代方案，如在一個先進封裝中混合多個芯片，并從每個節(jié)點中獲取更多。這為過去討論過的技術(shù)打開了大門，但在縮放被認為是最好的前進道路時，這些技術(shù)從未被廣泛采用。

使用多光束電子束光刻技術(shù)在掩模上打印曲線形狀的能力就是這樣一種技術(shù)。與打印錯位的多邊形或方孔相比，可以打印的設(shè)備的形狀要精確得多。這反過來又使現(xiàn)有節(jié)點的密度更高。

"即使我們有一個純粹的'曼哈頓'設(shè)計--所以布局設(shè)計師畫出這兩個矩形的尖端，不管最小的設(shè)計規(guī)則是什么，即使在晶圓上有精心設(shè)計的OPC來控制光刻線，以及晶圓光刻工藝的回撤和圓角--在實際的掩模上仍然會有圓角，"西門子EDA產(chǎn)品開發(fā)高級總監(jiān)John Sturtevant說。"有了這些多光束掩模寫入器，我們可以更積極地進行OPC修正。我們可以利用這樣一個事實，即如果我們知道我們將有一個彎曲的線性掩模，我們可以變得非常激進，并以掩模寫入器會受到懲罰的方式利用這種彎曲度，因為沒有足夠的成本效益權(quán)衡。

除此之外，縮放比例開始走向垂直，因此不再以平方毫米測量芯片，而是越來越多地以立方毫米測量。這為整個供應(yīng)鏈增加了一系列新的復(fù)雜性，從設(shè)計工具到機械應(yīng)力和各種粘合技術(shù)。它還使檢查和測量從材料沉積和蝕刻到新材料的一切變得更具挑戰(zhàn)性，并要考慮到過去從未被認為是問題的運動。

就像芯片行業(yè)的大部分歷史一樣，擴展已被充分理解和證明的東西，總是比轉(zhuǎn)向未被嘗試的東西問題要小。這發(fā)生在光刻技術(shù)、晶體管結(jié)構(gòu)、材料、各種制造工藝以及EDA工具上。這反過來又影響了新方法被添加和采用的速度。業(yè)內(nèi)人士仍然提到過去的轉(zhuǎn)變，如在130納米節(jié)點從鋁到銅的互連，或在16/14納米從平面晶體管到鰭狀FET。隨著可靠性問題的增加，這類轉(zhuǎn)變尤其困難，而且更加耗時和昂貴。

縱向擴展也會產(chǎn)生需要解決的熱量挑戰(zhàn)。即使是平面芯片上的鰭式場效應(yīng)晶體管和全門控場效應(yīng)晶體管（納米片、納米線等）也是如此，其動態(tài)功率密度可能變得非常有問題，以至于在任何時候都只能使用部分晶體管。但是，當芯片堆疊在一起時，問題就更具挑戰(zhàn)性。

芯片之路

目前有許多類型的封裝。在過去，封裝除了保護電子電路不受損害外，沒有什么其他作用。但封裝技術(shù)本身正在變得更加個性化。日月光營銷和傳播總監(jiān)Evelyn Lu在最近的一篇博客中指出了系統(tǒng)級封裝的各種應(yīng)用，即使在幾年前，這些應(yīng)用也會在PCB上的一個或多個芯片上完成。但在可聽設(shè)備--助聽器、藍牙耳塞、智能手表和智能眼鏡等應(yīng)用中，對更小尺寸的需求要求在一個非常小的封裝中集成多個芯片，而且耗電量非常小。她寫道："例如，30多個元件可以集成在一個尺寸為4毫米×8毫米，或4.55毫米×9毫米的單一芯片上，極大地減少了產(chǎn)品的尺寸，其整體重量也減少了1克或更多，"。

圖3助聽器SiP和模塊。來源:日月光半導(dǎo)體

這可以通過使用目前正在開發(fā)的工業(yè)標準來表征和連接的芯片來進一步加速。其目的是增加設(shè)計的靈活性，縮短上市時間，并大大減少開發(fā)電子系統(tǒng)所需的凈增值。

"在我職業(yè)生涯的前20年里，我們主要是做單片SoC集成，""你會把所有的功能集中在一個芯片中--CPU、GPU、內(nèi)存控制器。但現(xiàn)在人們意識到這已經(jīng)達到了極限。所以你把它分成幾塊，我們稱之為chiplets。有時你可以選擇不同的技術(shù)方案，為特定功能進行優(yōu)化。這僅僅是個開始。這一切都始于HPC，因為這是你目前獲得最大收益的地方。但在未來，我們將需要數(shù)量，而數(shù)量通常來自消費電子產(chǎn)品，無論是手機還是PC。這是冰山一角，未來我們希望越來越多的產(chǎn)品--尤其是主流消費產(chǎn)品--能夠從這種新的芯片集成方案中受益，無論是成本、功率，還是外形尺寸，因為這些產(chǎn)品應(yīng)用都會轉(zhuǎn)向這種方案。我們會把量提上去，但我們還沒到那一步。"

提高芯片數(shù)量的關(guān)鍵因素之一是以一種可預(yù)測的方式來互聯(lián)這些硬IP塊。業(yè)界正在努力實現(xiàn)這一目標，其中一個是開放計算項目的ODSA，另一個是通用芯片互連快遞組織。全球的政府機構(gòu)也在開發(fā)他們自己的方案。

結(jié)論

未來的挑戰(zhàn)將不是沒有足夠的選擇來推動定制和半定制設(shè)計，或者摩爾定律正在失去動力。更大的障礙是要弄清楚，在眾多可能的選擇中，哪一個是最好的，或者至少對特定的應(yīng)用程序和終端市場足夠好。

如果以以往的經(jīng)驗為指導(dǎo)，芯片行業(yè)最終將縮小可能性的數(shù)量，以實現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟和縮短上市時間。這是Makimoto 's Wave的精髓，在芯片行業(yè)的大部分歷史中都是如此。但是，還有更多的變數(shù)需要消化，還有更多的變數(shù)即將出現(xiàn)，還有一些發(fā)展中市場，這些市場要么從未存在過，要么從未如此嚴重地依賴先進的半導(dǎo)體技術(shù)。因此，芯片設(shè)計和制造可能需要更長的時間才能回歸商品化。

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審核編輯 黃昊宇