在不久前舉行的美國(guó)西部半導(dǎo)體展(Semicon West)上，國(guó)際半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)(SEMI)總裁兼首席執(zhí)行官Ajit Manocha在一場(chǎng)主要由測(cè)試和封裝業(yè)者代表參與的會(huì)議上發(fā)表評(píng)論。他簡(jiǎn)要地介紹了許多重要話題，包括現(xiàn)已解散的國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展藍(lán)圖(International Technology Roadmap for Semiconductors；ITRS)、人工智能(AI)的經(jīng)濟(jì)吸引力，以及在摩爾定律(Moore's Law)后的未來(lái)發(fā)展。

Manocha并提到，2017年全球半導(dǎo)體銷售額成長(zhǎng)了22%，這是幾年前所無(wú)法想象的榮景，他并預(yù)期在2030年，全球芯片業(yè)務(wù)將達(dá)到1兆美元的市場(chǎng)規(guī)模。

根據(jù)各自的立場(chǎng)不同，摩爾定律不是被認(rèn)為氣數(shù)已盡，就是將在各節(jié)點(diǎn)突破障礙，勇往直前。至于在后摩爾定律(post-Moore's Law)時(shí)代將出現(xiàn)哪些半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)指導(dǎo)原則，目前也仍然是爭(zhēng)論重點(diǎn)。但是，越來(lái)越多的工程師和芯片公司開始著眼于“異構(gòu)整合”(heterogeneous integration)的概念——將單獨(dú)制造的硅和非硅組件整合于相同3D系統(tǒng)級(jí)裝(SiP)的更高層級(jí)系統(tǒng)，作為提升電子產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)力的未來(lái)驅(qū)動(dòng)力。

Manocha發(fā)表演說(shuō)的這場(chǎng)會(huì)議，事實(shí)上是一場(chǎng)由IEEE支持的異構(gòu)整合技術(shù)藍(lán)圖(HIR)研討會(huì)，其目的在于建立一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)前的技術(shù)藍(lán)圖，擘劃異構(gòu)整合技術(shù)的長(zhǎng)期愿景，并找出其挑戰(zhàn)以及可能的解決方案。

“業(yè)界需要一些指導(dǎo)方向，”Manocha告訴與會(huì)者，SEMI將與IEEE連手，共同管理HI技術(shù)藍(lán)圖以及另外兩項(xiàng)IEEE發(fā)展藍(lán)圖——國(guó)際組件設(shè)備和系統(tǒng)技術(shù)藍(lán)圖(International Technology Roadmap for Devices and Systems；IRDS)以及寬能隙半導(dǎo)體國(guó)際技術(shù)藍(lán)圖(International Technology Roadmap for Wide Band-gap Semiconductors)。“我們將負(fù)責(zé)為業(yè)界制訂發(fā)展藍(lán)圖，并讓業(yè)界進(jìn)行驗(yàn)證與反饋。”

自2016年起，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)(SIA)取代備受關(guān)注的ITRS后，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)在某種程度上一直處于無(wú)人引航的狀態(tài)。唯有透過(guò)技術(shù)藍(lán)圖提出全產(chǎn)業(yè)的目標(biāo)和技術(shù)方向，先進(jìn)芯片制造商們才能持續(xù)開辟讓其他產(chǎn)業(yè)得以追隨的道路。

“技術(shù)藍(lán)圖讓整個(gè)產(chǎn)業(yè)都能受惠。”資深封裝分析師兼TechSearch International創(chuàng)辦人兼總裁E. Jan Vardaman說(shuō)，“技術(shù)藍(lán)圖讓業(yè)界了解如何進(jìn)入下一步。”

日月光半導(dǎo)體(ASE)院士兼資深技術(shù)顧問(wèn)William T. Chen說(shuō)，業(yè)界合作建立技術(shù)藍(lán)圖，將有助于讓每個(gè)人的工作更省時(shí)省力，就像讓美國(guó)州際高速公路系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)到位一樣。“我們有責(zé)任確保關(guān)注的領(lǐng)域能夠反映在技術(shù)藍(lán)圖上。”William T. Chen同時(shí)也是HIR委員會(huì)共同主席。

HIR計(jì)劃始于2016年，目的在于確保電子產(chǎn)業(yè)到2031年的各種異構(gòu)整合要求，找出其挑戰(zhàn)以及潛在的解決方案。該技術(shù)藍(lán)圖草案最初預(yù)計(jì)在今年七月發(fā)布，但現(xiàn)在預(yù)計(jì)要到10月中旬才會(huì)揭露，其后將每年更新一次。

Chen說(shuō)：“我們花了50年的時(shí)間才走到今天這一步。如今，我們需要建立一個(gè)知識(shí)庫(kù)，但它并不會(huì)在一夜之間發(fā)生。”

范圍更廣泛
Manocha曾任SIA主席與副主席、Globalfoundries首席執(zhí)行官，在ITRS技術(shù)藍(lán)圖停止發(fā)行后仍積極參與SIA。他在七月的HIR會(huì)議上告訴與會(huì)者，多年來(lái)，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)“走向了ITRS提供的方向，但SIA卻不再支持該藍(lán)圖了”?，F(xiàn)在，他將和SEMI承擔(dān)起“在SIA放下的責(zé)任并積極管理一技術(shù)藍(lán)圖”。

Manocha除了是SEMI首席執(zhí)行官，如今也是HIR全球顧問(wèn)委員會(huì)的一員。他在接受《EE Times》采訪時(shí)說(shuō)：“我們?yōu)槎x未來(lái)15年技術(shù)創(chuàng)新的長(zhǎng)期愿景提供了引導(dǎo)。”他補(bǔ)充說(shuō)，他和SEMI將扮演的角色之一是“確保其為產(chǎn)業(yè)、學(xué)術(shù)界、研究機(jī)構(gòu)和政府的利益相關(guān)者之價(jià)值主張得到所有人的理解和使用。”

HIR計(jì)劃在許多方面都比ITRS的范圍更廣。由于異質(zhì)概念包含快速發(fā)展的設(shè)計(jì)概念、封裝架構(gòu)、組件類型、材料、制造工藝和系統(tǒng)整合技術(shù)，HIR的工作涉及整個(gè)供應(yīng)鏈的參與——從芯片制造商、材料供應(yīng)商、設(shè)備公司、測(cè)試/裝配供應(yīng)商、EDA公司以及其他人等。

目前，這項(xiàng)任務(wù)涉及22個(gè)獨(dú)立的技術(shù)工作組(TWG)，涵蓋組件、設(shè)計(jì)組件、封裝技術(shù)、材料、安全性、熱管理以及供應(yīng)鏈等。

在今年5月于圣地亞哥舉行的HIR研討會(huì)上，加州大學(xué)圣地亞哥分校(UC San Diego)計(jì)算機(jī)科學(xué)教授Andrew Khang指出，HIR計(jì)劃也關(guān)注于ITRS從未關(guān)注的應(yīng)用市場(chǎng)，包括高性能運(yùn)算/數(shù)據(jù)中心、物聯(lián)網(wǎng)(IoT)、醫(yī)療/健康/穿戴式裝置、汽車、航天/國(guó)防和移動(dòng)等六大應(yīng)用領(lǐng)域。

“ITRS以往只專注于一種產(chǎn)業(yè)。”Chen說(shuō)：“當(dāng)時(shí)存在一種驅(qū)動(dòng)力道，而今[電子產(chǎn)業(yè)]擁有許多的驅(qū)動(dòng)力和多種樣貌。”

典范轉(zhuǎn)移
對(duì)于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)而言，從永遠(yuǎn)專注于擴(kuò)展摩爾定律轉(zhuǎn)變?yōu)橐援悩?gòu)整合提升產(chǎn)能的世界，可說(shuō)是一項(xiàng)不小的嘗試。

半導(dǎo)體測(cè)試先驅(qū)Bill Bottoms同時(shí)也是HIR委員會(huì)共同主席，他指出Semiconductor Research Corp.去年發(fā)表了一份名為“半導(dǎo)體研究機(jī)會(huì)：產(chǎn)業(yè)愿景和指南”(Semiconductor Research Opportunities: An Industry Vision and Guide)的半導(dǎo)體研究報(bào)告。Bottoms摘要該報(bào)告指出，研究將有助于使AI、IoT、高性能運(yùn)算以及“社會(huì)期待和依賴的永遠(yuǎn)連網(wǎng)世界”等應(yīng)用取得突破性進(jìn)展。

但Bottoms指出，從整個(gè)產(chǎn)業(yè)的歷史來(lái)看，大部份的半導(dǎo)體研發(fā)都集中在推動(dòng)摩爾定律的進(jìn)展。Bottoms說(shuō)：“但摩爾定律的經(jīng)濟(jì)終結(jié)時(shí)刻即將到來(lái)。沒(méi)人會(huì)對(duì)此表示質(zhì)疑。”

為了向前發(fā)展，業(yè)界需要新技術(shù)。Bottoms說(shuō)，業(yè)界需要新的組件來(lái)增強(qiáng)硅基晶體管，同時(shí)必須開發(fā)新的運(yùn)算架構(gòu)，以取代傳統(tǒng)的馮·諾依曼(von Neumann)系統(tǒng)架構(gòu)，從而產(chǎn)生全新的運(yùn)算典范。

“我們必須結(jié)合整個(gè)產(chǎn)業(yè)、政府和學(xué)術(shù)界共同努力。”Bottoms說(shuō)：“此外，還必須跨越國(guó)家界限攜手合作。”

據(jù)Bottoms表示，雖然CMOS微縮將繼續(xù)下去，明顯提升的參數(shù)卻只有密度，而成本、功耗和性能增益均低于期待。

“異構(gòu)整合是唯一能夠讓摩爾定律在未來(lái)數(shù)十年持續(xù)進(jìn)展的解決方案。”Bottoms說(shuō)：“系統(tǒng)級(jí)的功率要求、延遲、成本和性能，主要是由互連而不是晶體管來(lái)決定。異構(gòu)整合可在SiP中實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)整合，其中所有的主動(dòng)功能都盡可能密集封裝?；ミB將透過(guò)光子技術(shù)盡可能將光子移動(dòng)至接近晶體管。”

Bottoms列舉異構(gòu)整合的許多好處，包括在同一工藝節(jié)點(diǎn)大幅提升性能、以光學(xué)布線取代電子布線以降低功耗，以及逐次為具成本效率的組件整合單項(xiàng)功能，逐漸改善成本。

Bottoms聲稱，系統(tǒng)級(jí)的異構(gòu)整合能夠讓功能密度提高1,000倍以上，并使每功能的功耗降低相似的數(shù)量。“最初，其中一些會(huì)帶來(lái)更高的成本。”他說(shuō)：“但是，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，在未來(lái)15年內(nèi)，每功能的成本將降低10,000倍，而且設(shè)計(jì)周期更短，成本更低。”

邁向新旅程
但是，異構(gòu)整合所宣稱的優(yōu)勢(shì)至今仍然是不切實(shí)際的幻想。目前，HIR委員會(huì)仍致力于完成該技術(shù)藍(lán)圖的初稿。

基本上，在實(shí)現(xiàn)每功能成本的巨大效益之前，HIR委員會(huì)希望該技術(shù)藍(lán)圖能為產(chǎn)業(yè)提供一個(gè)共同的“專用語(yǔ)”，作為定義技術(shù)目標(biāo)和挑戰(zhàn)的起點(diǎn)。在電子領(lǐng)域已經(jīng)有許多關(guān)于異構(gòu)整合的例子——也許最值得注意的是在Apple Watch 2中發(fā)現(xiàn)的第二代SiP——SI 2中包含超過(guò)42個(gè)芯片。但是，諸如2.1D、2DO和2DS等術(shù)語(yǔ)的定義在整個(gè)產(chǎn)業(yè)中并沒(méi)有統(tǒng)一的說(shuō)法。

Vardaman說(shuō)：“我們正試圖提出一些常用的術(shù)語(yǔ)，像是2.5D和3D等術(shù)語(yǔ)，如果不具有描述性，人們也不理解其含義，就無(wú)濟(jì)于事。

”
委員會(huì)希望透過(guò)一種共同語(yǔ)言，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)開始動(dòng)起來(lái)。畢竟，如果異構(gòu)整合是為了實(shí)現(xiàn)Bottoms和其他人所期望的提高產(chǎn)能等目標(biāo)，那么接下來(lái)還有很多工作要做。

“近期最大的單一突破將是將光子整合于SiP產(chǎn)品，并且有效地將這些系統(tǒng)與光信號(hào)連接到其他各種系統(tǒng)。”Bottom說(shuō)：“這需要長(zhǎng)期的共同設(shè)計(jì)、仿真、高度平行制造、SiP和互連標(biāo)準(zhǔn)，以及確?？煽啃院桶踩缘陌l(fā)展。”