Chiplet掀起革命

Chiplet技术深耕数10年,在芯片、品牌厂对高性能计算(HPC)的迫切需求下,由AMD领军率先商转,连苹果也用Chiplet打造“怪兽芯片”M1 UltraCPU,引起各界关注。

一直以来,英特尔x86架构长期主宰服务器和笔记本电脑市场,直到苹果开始自制芯片,让英特尔独霸的局势出现转变;同时,对手AMD紧密与台积电合作,企图靠Chiplet加速开发速度并降低成本,反超英特尔的计划如箭在弦,逼得英特尔也不得不投入Chiplet设计,巩固市场,吹皱半导体一池春水。

2022年3月,苹果(Apple)于春季发表大会推出号称“全球最强大的电脑芯片”M1 Ultra,再度引爆半导体对Chiplet的关注。苹果资深硬体技术副总裁Johny Srouji更指出:“M1 Ultra 是一款开创新局的Apple芯片,将再次震撼个人电脑产业。”

业界专家表示,M1 Ultra的Chiplet设计,简单来说就是将2颗CPU连在一起,发挥加乘的运算处理效果。其实,早在2020年AMD就开发了CCD(Core Chiplet Die)Chiplet,采用7nm制程,让Chiplet数量可以随市场需求增减,例如用于服务器的搭配8颗CPU,而台式机则用2颗CPU。

“这种高弹性的设计配置,不仅能加快芯片开发速度,更能大幅降低研发成本。”力成科技执行长谢永达向本刊表示。根据AMD官方资料显示,在14nm的情况下,以Chiplet生产的成本,相较于系统单芯片(SoC)设计方式,可节省近50%。

日月光研发副总洪志斌补充,使用Chiplet主要目的在提升整体表现(如晶圆良率及成本),将原本单一面积很大的多核心芯片拆分成多个面积较小的芯片,这样的做法不仅可减少单一过大面积的芯片成本,由于Chiplet的良率较好,能整合出更经济且高效能的产品。正因如此,IC设计企业对Chiplet的兴趣与接受度越来越高,尤其是一线IC设计企业。

举例来说,全球排名前5大的IC设计大厂中,就有AMD、高通(Qualcomm)、英伟达、联发科4家陆续投入Chiplet开发设计,其中,AMD更是率先推出商用Chiplet的IC设计大厂;法人报告指出,联发科也预告其HPC产品将朝向Chiplet架构发展,预计2023年上市。

据Transparency Market Research报告指出,2020年全球Chiplet市场规模为一1.1亿美元,预计2031年市场规模约472亿美元,年复合成长率(CAGR)达到40.9%;主要成长动能来自全球消费电子产业对Chiplet的需求上升,以及HPC运算需求。

眼看芯片、云端及系统厂相继投入Chiplet拓展市场,CPU老大哥英特尔也不得不放下身段,跳下来加入Chiplet战局,巩固龙头地位。

Chiplet将横扫世界

高性能计算需求与日俱增,驱动半导体走向越先进制程,也因此技术难度高、良率低,制造成本也随之增加,让整合多芯片的Chiplet技术浮上台面,对于先进封装的重视也更胜以往,看准此趋势,力成也在多年前就开始力拼先进的扇出型封装制程,封测厂从绿叶变成红花角色也愈加吃重。

当各界一直在朝5nm、3nm先进制程的脚步迈进时,Chiplet的技术也开始同步发展,不仅AMD早于2020年就推出商用化Chiplet产品,就连苹果3月推出的怪兽芯片M1 Ultra都是采用Chiplet所打造而成。

“(Chiplet)这种高弹性的设计配置,不仅能加快芯片开发速度,更能大幅降低研发成本。”力成科技执行长谢永达向本刊表示。

谢永达补充,对晶圆制造而言,当晶圆面积内的缺陷点数大致固定,Chiplet能够将受到缺陷影响的芯片数量倍数降低,进而提高晶圆良率并降低成本。

就是这样的优势,吸引各大科技大厂相继投入Chiplet,包含苹果、AMD、英特尔、高通和联发科等企业,也为封测厂带来庞大商机。

日月光研发副总洪志斌表示,从成长机会来看,Chiplet的设计主要是把原本在芯片上大量的研发与制造成本,转移到封装上,因此会运用到许多先进封装技术,如2.5D硅中介板(Silicon interposer)、扇出(Fan-Out)重新分布层(RDL)与Bridge Die等等,将各种Chiplet芯片透过先进封装制程精密地连接、整合在一起。

据Yole预估,2020年整体封装市场产值约446.5亿美元,2026年可望成长至685亿美元,年复合成长率约7.4%。值得注意的是,受惠于高效能运算芯片需求,2026年先进封装产值将成长至100亿美元,年复合成长率将高于平均,达19.5%,其中以2.5D与3D成长最高。

看到Chiplet业务开始发酵,谢永达感慨万千地说,力成2016年就开始研发扇出型封装,设立领先全球的大尺寸细线路生产线,此先进制程封装技术挑战性很大,投入超过新台币100亿元的资本支出,2019年即正式量产,这一路走来如人饮水,但看准Chiplet是未来的芯片趋势之一,仍义无反顾地投资。

谢永达表示,力成扇出型封装能取代ABF载板承载晶圆,其线宽、线距与功耗在设计得以优化的条件下,能以较少的层数达到与ABF载板相近甚至更佳的效能,可以舒缓ABF载板产能不足的问题,尤其载板厂商对新设备与新厂房投资多半相对保守,短时间难以有效因应Chiplet需求。

谢永达透露,如今先进封装的新兴蓝海,驱使传统IC载板厂商亦评估布局,在ABF载板供应吃紧的情况下,扇出型封装特有的重布细线路,能够有效降低对ABF载板的依赖,可透过重布线路取代ABF载板,亦或是降低ABF载板层数再结合BT载板之方案来解决,此需求趋势逐渐成形,力成目前即有相关专案进行中。

本刊侧面了解,许多国际大厂都已和力成接触,如英特尔、AMD、Google等,这不仅反映出Chiplet需求日益增多,也显示力成技术实力备受肯定。

“随着前端晶圆制程节点(Wafer Node)持续微缩,芯片与载板之间的沟通已经发生很大的变化,传统IC载板厂制程能力的进步,已跟不上晶圆制程节点微缩的脚步而逐渐脱钩,而此中间断层就需要由先进封装技术来衔接。”谢永达有感地说。

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