集成電路(IC) 發(fā)明至今已有50多年，自1991年問世以來，國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)藍(lán)圖(International Technology Roadmap for Semiconductors，ITRS) 一直是半導(dǎo)產(chǎn)業(yè)往前邁進(jìn)的指南，藍(lán)圖預(yù)測(cè)半導(dǎo)體技術(shù)會(huì)遵循摩爾定律(Moore's Law) 的縮放節(jié)奏邁進(jìn)。不過，在2016年7月ITRS所釋出的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)「未來藍(lán)圖」報(bào)告顯示，估計(jì)微處理器中的晶體管體積將在2021 年開始停止縮小，這意味著微處理器中的晶體管數(shù)量將不會(huì)再如摩爾定律所說的會(huì)逐步增加，也就是說摩爾定律已宣告死亡。隨著摩爾定律的死亡，國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)藍(lán)圖ITRS也將步入歷史。取而代之的，將是異構(gòu)整合藍(lán)圖（Heterogeneous Integration Roadmap，HIR）。 雖然芯片設(shè)計(jì)和制程技術(shù)的創(chuàng)新仍然繼續(xù)，但進(jìn)展已明顯趨緩，不管制程技術(shù)下殺到多少微米，芯片尺寸的縮減似乎已到了極限，更遑論同時(shí)要增加密度以提升性能。圖1及圖2是Alphabet的總裁John Hennessy 于2018 年7 月ERI會(huì)議中展示的兩張圖表。圖1顯示了40年間的DRAM的容量和密度增長(zhǎng)放緩的情況；而圖2則顯示了40年間的CPU運(yùn)算性能變化，明顯看出在近年成長(zhǎng)已趨于平穩(wěn)。

圖1. 40年間的DRAM的容量和密度增長(zhǎng)放緩的情況（資料來源：J Hennessy, ERI Conf July 2018） 半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)(SIA) 于2016年7月正式宣告ITRS國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)藍(lán)圖時(shí)代的結(jié)束。其后SIA 和SRC (半導(dǎo)體研究公司，Semiconductor Research Corporation)于2017 年3 月聯(lián)合發(fā)表了名為《半導(dǎo)體研究機(jī)會(huì)：產(chǎn)業(yè)愿景和指南》報(bào)告（Semiconductor Research Opportunities：An Industry Vision and Guide）。報(bào)告中指出：「前進(jìn)的道路并不像摩爾定律時(shí)代那樣清晰，然而，巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益潛力— 其中一些是可以預(yù)見的，但有一些只能想像…… 在這個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)上，需要產(chǎn)業(yè)界、政府和學(xué)術(shù)界攜手合作，才能持續(xù)進(jìn)步成長(zhǎng)?！?

圖2. 40年間的CPU運(yùn)算性能成長(zhǎng)，近年已趨緩 （資料來源：J Hennessy, ERI Conf July 2018）

應(yīng)用及市場(chǎng)需求帶動(dòng)

在今天，電子產(chǎn)品已深深融入我們的社會(huì)結(jié)構(gòu)，改變著我們的生活、工作和娛樂方式，讓我們生活在數(shù)位時(shí)代，為我們的全球生活方式、產(chǎn)業(yè)和商業(yè)行為帶來高新的效率。而這種效率的達(dá)成主要?dú)w功于高效能運(yùn)算芯片的產(chǎn)出。另一方面，大數(shù)據(jù)的形成則推動(dòng)了市場(chǎng)需求，從而形成了技術(shù)研發(fā)的驅(qū)動(dòng)力。 在現(xiàn)實(shí)層面，推動(dòng)數(shù)據(jù)增長(zhǎng)的市場(chǎng)力量包括：

將數(shù)據(jù)、邏輯和應(yīng)用程序轉(zhuǎn)移到云端

社交媒體的推波助瀾

行動(dòng)設(shè)備的演變

5G／6G 通信加上物聯(lián)網(wǎng)(IoT)帶動(dòng)

人工智能(AI)、虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)及增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)的應(yīng)用

自動(dòng)駕駛汽車的興起及日漸普及

異構(gòu)整合興起

雖然制程技術(shù)的演進(jìn)已漸漸無法滿足芯片「體積縮小性能提升」的無止境需求，但需求并沒有消失，因此，人們開始往構(gòu)裝技術(shù)動(dòng)腦筋。 異構(gòu)整合是指將單獨(dú)制造的「組件」整合到更高層次的組裝（系統(tǒng)級(jí)封裝- System in a Package，SiP），以使整體性能提升。系統(tǒng)級(jí)封裝不是隨便將兩個(gè)芯片封裝在一起就可以，而是必須滿足下列條件才行：

封裝后體積必須變小：將不同功能的芯片與被動(dòng)元件封裝成一顆IC，所以封裝后體積必定比個(gè)別數(shù)顆IC還小。

須整合不同類型的封裝技術(shù)：必須將數(shù)種不同類型的封裝技術(shù)整合在一起，與單純將多個(gè)芯片封裝在一起的小型封裝技術(shù)不同。

必須包含各種類型的主動(dòng)與被動(dòng)元件：必須包含處理器、記憶體、邏輯元件、類比元件等數(shù)個(gè)芯片，甚至必須將被動(dòng)元件、連接器、天線等一起封裝進(jìn)去。

在異構(gòu)整合的定義中，「組件」指的是任何單元，無論是單顆芯片、MEMS器件、被動(dòng)元件和組裝的封裝或子系統(tǒng)，都整合在一個(gè)封裝中。當(dāng)中可以涉及到材料、元件類型、電路類型、節(jié)點(diǎn)、互連方法……等等。

圖3. 異構(gòu)整合(圖左) 及系統(tǒng)級(jí)封裝(圖右) （資料來源：日月光半導(dǎo)體）

大廠紛紛投入

在芯片堆疊密度增長(zhǎng)及多芯片整合的需求下，大廠紛紛投入先進(jìn)封裝技術(shù)的發(fā)展。其中又以運(yùn)算芯片制程大廠Intel、TSMC及Samsung的投入最為理所當(dāng)然。這些大廠將其先進(jìn)制程技術(shù)所產(chǎn)出的芯片配合自家的先進(jìn)封裝，來完成客戶的產(chǎn)品；而封測(cè)大廠日月光則是從本身的封裝技術(shù)出發(fā)，慢慢發(fā)展出2.5D及3D之先進(jìn)封裝技術(shù)(圖2)。

從圖2可見，整體來看，TSMC目前是站在比較領(lǐng)先的地位，從2.5D到3D封裝都有相當(dāng)完整的技術(shù)。另一方面，Intel的Foveros及EMIB也逐漸形成了一個(gè)平臺(tái)。 由于先進(jìn)封裝要求的技術(shù)很高，因此很多大廠也相應(yīng)的在這方面投入很高的資本支出。從圖3可見，2022年的資本支出已達(dá)到10 ~ 40億的等級(jí)。目前各大廠都有本身的技術(shù)平臺(tái)，而最近產(chǎn)出的新產(chǎn)品也不少。

而其中一個(gè)于2022年最重要的動(dòng)態(tài)是Intel于2022年3月邀請(qǐng)了臺(tái)積電、Samsung、AMD、Microsoft、Google、日月光等大廠共同組成及推動(dòng)UCIe小芯片聯(lián)盟，有助于小芯片（Chiplet）資料傳輸架構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化；未來在UCIe小芯片聯(lián)盟的推動(dòng)下，會(huì)越來越趨向標(biāo)準(zhǔn)化，從而降低小芯片先進(jìn)封裝設(shè)計(jì)的成本。 此外，透過制定統(tǒng)一的小芯片／晶粒（Die）間傳輸規(guī)范，以落實(shí)晶?！鸽S插即用（Plug and Play）」的目的，使來自不同廠商、代工廠的晶粒能在單一封裝內(nèi)順利整合，一定程度上滿足了高階運(yùn)算芯片持續(xù)提升運(yùn)算單元密度以及整合多元功能的需求，成為開發(fā)高階運(yùn)算芯片的關(guān)鍵。 UCIe自成立以來，已有數(shù)十家包含IC設(shè)計(jì)、封測(cè)、材料設(shè)備、電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化系統(tǒng)等不同類型的業(yè)者紛紛加入，顯示小芯片先進(jìn)封裝的跨領(lǐng)域特性。從圖4可見，圖右的貢獻(xiàn)會(huì)員除了IDM、IC封測(cè)及IC設(shè)計(jì)廠商外，還有EDA、ODM、記憶體、EMS及終端產(chǎn)品廠商， 顯示UCIe聯(lián)盟的影響力越來越廣。。

小芯片聯(lián)盟先導(dǎo)的推動(dòng)成員在標(biāo)準(zhǔn)主導(dǎo)上占了一定的優(yōu)勢(shì)，像Intel便推出了自己的開放式小芯片平臺(tái)，如圖6左邊部分所示，可以用Intel自家的CPU去整合客戶的小芯片，輔以Intel本身的2.5D、3D技術(shù)去完成完整的封裝；而這就是Intel推動(dòng)其IDM 2.0一個(gè)很重要的助力，提供了一個(gè)平臺(tái)可讓Intel進(jìn)行代工及封測(cè)服務(wù)。 不過，聯(lián)盟成員也不會(huì)獨(dú)厚Intel，目前已提供了成員數(shù)個(gè)小芯片封裝可用的架構(gòu)，包括圖6右邊的標(biāo)準(zhǔn)2D封裝架構(gòu)及2.5D封裝架構(gòu) (可參考Intel的EMIB、TSMC的CoWoS及日月光的FOCoS)。

大廠技術(shù)

經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的研發(fā)，先導(dǎo)大廠的異構(gòu)整合先進(jìn)封整產(chǎn)品均已開始提供服務(wù)，像TSMC臺(tái)積電從CoWoS、InFO，到SoIC，已經(jīng)累積豐富的先進(jìn)封裝經(jīng)驗(yàn)，形成3D Fabric平臺(tái)；臺(tái)積電透過3D Fabric平臺(tái)，整合2.5／3D先進(jìn)封裝技術(shù)，為頂級(jí)客戶客制最佳化產(chǎn)品，透過綁定先進(jìn)制程，提供先進(jìn)制程代工到先進(jìn)封裝的一條龍服務(wù)，主要產(chǎn)品類別為HPC高效能運(yùn)算與高階智慧型手機(jī)芯片。 就Intel的部分，前面已經(jīng)提過，發(fā)展先進(jìn)封裝技術(shù)為Intel IDM 2.0策略中關(guān)鍵的一環(huán)。近期Intel陸續(xù)推出2.5D封裝的嵌入式多芯片互連橋接（Embedded Multi-die Interconnect Bridge, EMIB）技術(shù)、3D堆疊的Foveros技術(shù)，以及整合2.5D與3D封裝的共嵌入式多芯片互連橋接Co-EMIB技術(shù)。Intel的Foveros 封裝技術(shù)利用3D 堆疊整合不同的邏輯芯片，為IC設(shè)計(jì)公司提供了很大的靈活性，允許其將不同技術(shù)的IP 區(qū)塊與各種記憶體和I/O 元件混合和搭配。Intel的Foveros可以讓芯片產(chǎn)品分解成更小的小芯片(chiplets) 或細(xì)芯片(tiles)，其中I/O、SRAM 和電源傳輸電路整合在基礎(chǔ)芯片中，而高性能邏輯小芯片則是堆疊在頂部。 至于記憶體大廠Samsung則是提供記憶體堆疊異構(gòu)整合封裝服務(wù)，包括其在2020 International Wafer-Level Packaging Conference （IWLPC）中展示的記憶體堆疊（Memory Stack）異構(gòu)整合技術(shù)，以及其「X-Cube （eXtended-Cube）」3D封裝技術(shù)，包含把記憶體與其他芯片整合，以及硅穿孔、微凸塊等關(guān)鍵技術(shù)。

審核編輯 ：李倩