晶片產業進入「異質整合」新時代

在25年的時間內，當Facebook、Google與Amazon透過自己設計晶片稱霸全球市場之後，半導體產業的面貌會有什麼變化？在某種程度上，我們已經看到未來、而且它已經發生：大數據分析、人工智慧(AI)、擴增/虛擬現實(AR/VR)、自動駕駛車輛等新技術已經問世──雖然未臻完美之境。

儘管如此，大多數晶片設計工程師甚至無法想像那樣一個大無畏的新世界，更別說那些他們必須保持在流行前線的創新發明；但讓工程師們頭痛的一個問題是，產業發展的方向全然不確定。

隨著摩爾定律(Moore’s Law)接近「經濟上的死角」，對大多數晶片供應商(除非是Intel或Samsung等大廠)來說，該轉往其他哪個方向？

2016年7月，半導體產業協會(SIA)發表最後一期的國際半導體技術藍圖(ITRS)報告(參考連結)，這意味著產業界已經承認摩爾定律不只是速度趨緩，而是產業界需要新的工具、統計圖表與程序，來定義技術研發之間的差距所在，以及在這個連結性更強的世界該何去何從。

這也是台灣IC設計公司鈺創(Etron)創辦人、董事長暨執行長盧超群(Nicky Lu)要出力的地方。

鈺創(Etron)創辦人、董事長暨執行長盧超群(Nicky Lu) （來源：EE Times）

盧超群一直在提倡「異質整合」(heterogeneous integration，HI)，他推廣這個概念是因為半導體產業至少必須要脫離對工藝節點微縮的痴迷；為了取得成長動力，產業界必須以「不同技術的異質整合」來創新。

不過盧超群所提倡的HI並非異質整合SoC、系統級封裝(SiP)或多晶片模塊(MCM)，而是一種「整體化(holistically)的整合性解決方案」，牽涉系統設計、算法與軟體，結合不同的矽組件如SoC、DRAM、快閃記憶體、ADC/DAC、電源管理、安全晶片，以及可靠性控制組件。

到目前為止，晶片產業在SiP技術領域已經有大幅度的進展；盧超群表示：「在2018年的現在，我已經看到市場對於更複雜HI的需求，實際上不只整合矽晶片，還包括非矽材料。

」

HI背後的三個IEEE學會

電子測試業者3MTS (Third Millennium Test Solutions)董事長Bill Bottoms表示，訂定「異質整合藍圖(Heterogeneous Integration Roadmap，HIR)」的基礎工作在2015年展開，當時SIA與一個IEEE學會簽署了合作備忘錄，由Bottooms以及日月光(ASE)的院士William Chen擔任HIR委員會的共同主席。

2016年，HIR獲得三個IEEE學會的正式贊助，包括電子封裝學會(Electronics Packaging Society，EPS)、電子組件學會(Electronic Devices Society，EDS)以及光子學會(Photonics Society)；國際半導體產業協會(SEMI)以及美國機械工程師學會(American Society of Mechanical Engineers，ASME)的電子與光子封裝分會(Electronic and Photonic Packaging Division，EPPD)也加入了HIR訂定工作。

從去年開始一切步入正軌。

隨著HIR委員會在世界各地舉辦研討會宣傳其使命，「總共有接近1,000位科學家、研究人員與資深工程師出席我們的活動並承諾參與HIR；」Bottoms表示，在委員會成員方面，「我們致力於將標準質量維持非常高的水平，我們只選擇那些擁有技術證照，並且真正願意為每個技術工作小組貢獻力量的人。

」

Bottoms解釋，一般只是想吸收信息的市場旁觀者不會被委員會接納；他所定義的HIR委員會任務範圍是：「定義我們需要克服的困難挑戰，以因應未來15年、25年新興研究領域之技術需求。

」他指出，該組織正在開發一個「競爭前期」(pre-competitive)藍圖，而集中產業界資源去規劃未來，會比多頭馬車各自努力更有效率。

HIR委員會將具潛力的首要整合技術解決方案視為「複雜的SiP結構」。

Bottoms表示，在很多方面，產業界開始關注將矽組件與非矽材料整合在單一封裝中的產品；「一個很好的HI案例是Intel的光子光學收發器(photonics optical transceivers)，」他解釋，Intel以矽晶圓平面製造技術支持電-光收發器的量產。

另一個案例是Apple Watch 2採用之第二代SiP技術「S2」；與第一代技術S1一樣，該SiP模塊在一個模塊中混合了不同封裝形式，包含能以裸晶堆棧的零組件(例如CSP、WLP等封裝)、傳統的打線封裝，甚至是層迭封裝(package-on-package)等多晶片的配置，或是多晶片堆棧的DRAM、NAND快閃記憶體。

Bottoms表示：「Apple到目前為止已經將SiP概念推向未來──這是一條前人未走過的路。

」如拆解分析機構TechInsights的Apple Watch 2拆解報告寫道：「S2封裝內含超過42顆晶片！在這種小型封裝中有非常多晶片。

」對於S2內部的98個互連，Bottoms表示驚嘆。

對盧超群來說，沒有其他事情比看到HI幕後勢力漸長更讓他開心；他接受EE Times訪問時表示，異質整合不再只是他自己一頭熱，而是已經廣布於電子產品。

在今年稍早，盧超群於一場在美國矽谷舉行的IEEE會議上發表題為「透過異質整合技術實現的AI與Silicon 4.0時代協同成長」(Synergistic Growth of AI and Silicon Age 4.0 through Heterogeneous Integration of Technologies)的演說；他表示：「有很多人在聽了我的演講後來找我，他們都非常興奮。

」

為何那些人如此興奮？盧超群的演說並非關於異質整合技術細節，而是將焦點集中在擴大半導體產業的研發範圍。

現在晶片產業已經不再押注工藝的持續微縮，他認為產業界可以將知識應用於更大的任務，而下一步是在跨不同領域的產業實現「普適智能」(pervasive intelligence)，從AI、人類、自然界到生物、細胞、細菌以及醫療智能。

盧超群解釋，探討下一代AI晶片的優化設計是一回事，人人都在做；但如果產業界需要能延伸至未來25年的「技術藍圖」，最好要開始著墨普適智能。

在進一步了解盧超群所定義的普適智能之前，得先了解他對異質整合的興趣是如何演變而來…

盧超群在台灣出生、受教育，後來赴美深造取得史丹福大學(Stanford University)的電子工程碩士與博士學位；IBM Research是他職業生涯的起點，最為人所知的是他參與發明了3D-DRAM技術，以及開發了高速CMOS DRAM (HSDRAM)。

數十年來，這位技術高手用他具感染力的微笑與熱情的態度，在半導體產業界成為說話有份量的人物。

盧超群從他在2004年的國際固態電路會議(ISSCC)發表關於異質整合(HI)的演說之後，就一直致力提倡這個概念；他在演說中指出：「未來的系統晶片將會完全利用在單一封裝中的多維整合，內含的多晶片包括各種數字、模擬、內存與RF功能及技術。

」

盧超群當時對3D IC時代即將來臨的預測被認為是大膽的想法；在晶片世界大部份還是依循摩爾定律(Moore’s Law)──唯一原則就是電晶體持續微縮──的那個時候，他希望可以證明晶片的垂直整合能實現的成果。

封裝技術的進展

時間快速前進到2018年，現在可以很公正地說系統級封裝(SiP)時代已經來臨，至於摩爾定律氣數已盡的說法則是被誇大了。

現今的晶片封裝技術與2004年那時候相較，已經有非常顯著的進步；台積電(TSMC)所開發的整合扇出式(InFO)晶圓級封裝技術，讓Apple得以用非常薄的層迭封裝(package-on-package，PoP)，結合大量的I/O焊墊以及為iPhone 7的應用處理器A10提供更佳的散熱管理。

InFO平台的重分布層(re-distributed layer)技術將矽晶片直接與PCB連結，不需要額外的基板；盧超群表示，台積電設計的直通互連通孔(Through Interconnect Via，TIV)能「利用混合性的垂直與水平互連技術，提供支柱以連結不同的晶片或零組件；」InFO證實了其短垂直連結與長水平之間的鏈路，能加速信息傳輸。

台積電的InFO技術結構 （來源：EE Times）

對於異質整合技術的未來，盧超群充滿希望；他指出，台積電以3D晶圓為基礎的系統整合──包括CoWos (chip-on-wafer-on-substrate)與InFO──是非常棒的例子，因為展示了如何實現另一種等級的微系統性能與堆棧。

而促使台積電實現InFO技術突破的，是Apple而非其他傳統晶片業者；盧超群認為，從Apple的A10處理器與Apple Watch 2採用的第二代SiP技術這些例子可以看出，晶片產業必須要看得更遠，必須要努力挖掘那些不只是晶片供應商同業、還有其他產業所熱烈追求的「智能」解決方案。

盧超群相信，異質整合技術藍圖(HIR)不但會成為晶片業者的動力，「其他正在尋找新應用的產業，也能因為以IC為中心的系統解決方案而添加更多價值。

」

把蛋白質當硬體、DNA當軟體

今年2月，盧超群在HIR會議上發表的演說激勵了許多人，因為他將HI概念延伸到更長遠的未來；他以「細胞智能」(cell intelligence)為例，說明電子產業的專長能如何被利用。

「試想把蛋白質當作硬體，DNA則是在上面執行的軟體；」他指的是所謂的合成生物電路(synthetic biological circuits)，在細胞內的生物性組件被設計為執行模仿電子電路的邏輯功能。

盧超群的公子盧冠達(Timothy Lu)就專注於細胞療法研究；他為吹噓自己兒子的成就道歉，但強調打造全新的基因電路已經不只是夢想。

盧冠達是美國麻省理工學院(MIT)的生物工程、電子工程與計算機科學副教授，也創立了一家合成生物學公司Senti Bio，這家新創公司在今年稍早的A輪募資中籌得5,300萬美元資金。

盧冠達最近接受生物工程專業媒體Symbiobeta訪問時表示，他的公司「專注於利用合成生物學工具來打造下一代的細胞與基因治療法，具備適應、感測與響應能力，而且比現有的細胞與基因療法具備更廣泛的效應。

」

他也提及從不同的實驗室導入最先進的技術：「整體來說，那些實驗室已經展現了能以多輸入多輸出(MIMO)類型的系統，來編程複雜精密的邏輯。

」

用於癌症免疫療法(Cancer Immunotherapy)的合成RNA免疫療法基因電路 （來源：www.cell.com）

其他「無所不在的智能」案例，還包括一種外觀像藥丸，其實是以異質整合技術製作的小型光學組件；盧超群表示，當病患吞下這種藥丸，它就會扮演在人體內收集數據以及提供情報的微型計算機。

生活智能是另一個智能技術能發揮的領域，他指出，AI也可以與食材融合，用來監測它們的「健康情況」。

此外還有「微生物群」(Microbiome)，也就是所有生活在人體的微生物；盧超群再次為吹噓自己兒子的研究抱歉，表示現在鎖定人體微生物群的療法正在迅速發展。

盧冠達在一本題為《打造人類健康應用之微生物群》(Engineering the Microbiome for Human Health Applications)的共同著作書籍中就提到，微生物群療法可能構建出「臨床相關的生物傳感器，實現能在人體中作用的強韌、有效之合成基因電路。

」

雖然生物科學領域聽起來很有趣，我們還是得打斷盧超群，問他：那么半導體產業在這類「普適智能」(pervasive intelligence)世界中的研發項目，能提供那些實質性的優勢？

盧超群的回答是：「我們在運算領域學到的知識、專長與理論至關重要，而且可以轉移到其他領域；」他反問：「矽晶片技術教了我們什麼？」他說，是教了我們如何把東西做得更小，而且以更快的速度計算數據。

晶片產業微縮製成的奧妙，現在可以用以打造人工智慧、物聯網以及生物應用的納米級模塊；盧超群看好產業界能夠生產應用導向的HI納米系統：「我們能藉由優化物理學、材料、組件、電路/晶片、軟體與系統來實現這個目標。

」

異質整合藍圖即將揭曉

HIR委員會準備在今年7月的SEMICON West發表現有工作成果，委員會旗下的22個技術工作小組正各自為HIR技術文件撰寫一個章節，以進行同儕審查、編輯與定稿，然後在會議上發表。

HIR委員會共同主席Bill Bottoms表示，該技術文件將會在7月發表，並在SEMICON West之後不久上網。

擁有22個章節的HIR技術文件，將涵蓋HI的市場應用、HI組件、設計(包括共同設計與仿真軟體、工具與實作等)，以及像是材料與諸如與SiP、3D+2.5D與WLP (扇入與扇出)等技術的互連、整合程序等交叉議題。

Bottoms指出，散熱管理與安全性是兩個後來補充的議題，HIR委員會的成員認為它們很重要，而且相關發現能讓所有技術工作小組獲益。

他指出，散熱管理小組是由來自Google的代表所領導；而他也再次強調HIR獲得產業界領導廠商的大力支持：「很多Intel、Google與IBM的資深人士都是活躍成員。

」

除了HIR，產業界還有兩個組織在推動後ITRS技術藍圖，包括IEEE標準協會(Standards Association)支持、與重啟運算計劃(Rebooting Computing Initiative)相關的IRDS (International Technology Roadmap for Devices and Systems)；還有ITRW (International Technology Roadmap for Wide Band-Gap Semiconductors)，是IEEE電力電子學會(Power Electronics Society)所贊助。

並沒有哪一個組織說自己比人家厲害，而且Bottoms強調：「這些藍圖從三個各自技術領域的有利位置看未來，他們能以各自協調的複雜性彼此互補，替電子產業的未來提供多維觀點。

」

從ITRS到HIR （來源：Heterogeneous Integration Roadmap Working Group）

而這一切也衍生了一個問題：為何電子產業很愛制定「藍圖」？大家都被摩爾定律洗腦了嗎？該定律也確實讓產業界的每個人都以相同的曲調起舞，讓產品與研發計劃跟上腳步。

Bottoms則認為，擁有藍圖甚至能讓異質整合的潛力更充分發揮。

他在一份與HIR委員會共同主席、ASE院士William Chen共同撰寫的技術論文中指出，技術藍圖能指導「專家、產業界、學術界與政府有足夠的準備時間定義關鍵技術挑戰，使得那些挑戰不會成為電子技術進展過程以及在不同產業中擴展應用版圖時的障礙；」他們的結論是：「我們的目標是激勵研發創新與跨生態系統的合作，以期實現未來願景的過程一路順暢」。

編譯：Judith Cheng

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