突破技術挑戰 3D IC量產可期
作者:麥利
針對下一個重大技術──3D晶片堆疊的發展,半導體產業正陷入僵局中。在這項技術適用於建構下一代高性能且低功耗的系統以前,還需要某一方取得突破性的進展,才可能進一步實現3D IC大量製造(HVM)的願景。
它可能會是格羅方德公司(Globalfoundries)在2.5D製程的代工價格方面與台積電(TSMC)打得不可開交?可能是三星公司(Samsung)試圖在智慧型手機與平板電腦領域擴展較蘋果公司(Apple)的優勢?抑或是輝達公司(NVIDIA)設法從競爭對手AMD那裡搶奪更大的GPU市場佔有率與品牌影響力?
這是日前於國際晶圓級封裝大會(IWLPC)中一場針對3D IC量產是否準備就緒的小組討論議題。該小組討論主持人──Invensas公司3D技術副總裁Sitaram Arkalgud引用國際半導體技術藍圖(ITRS)的技術量產曲線圖表示,隨著賽靈思(Xilinx) Virtex系列邁向3D、美光出貨混合式記憶體立方(HMC)工程樣片,以及富士通(Fujitsu)展示HMC堆疊原型,業界目前正來到一個技術從開發邁向量產的轉捩點,我們即將突破各種技術挑戰與僵局,實現3D IC的量產之路。
技術量產曲線圖。
長久以來,我們知道要邁向3D IC量產以前還有多項挑戰待克服──熱管理、測試、設計工具、薄晶圓處理、基礎設施、可靠性以及降低成本等。但事實上,目前除了熱議題以外,我們在技術上已經準備就緒了,整體基礎設施也已經到位──賽靈思正製造相關產品,而包括台積電、Globalfoundries、ASE等公司都宣稱已有300mm的3D TSV產線了。
這為當今業界帶來了一個更值得關注的議題:降低成本。Arkalgud強調,用戶仍主要依據成本結構來取得所需的性能。因此,“我們打造TSV並非用於取代焊線方式,而是取代了微縮至更小節點的必要性──相形之下,採用TSV提供了更好的成本效益。”
賽靈思Xilnix已出貨2.5D堆疊晶片,據稱也能提供在同一晶片上使用多個FPGA或同時使用FPGA與SERDES的產品,該公司日前並與台積電共同宣佈首款異質3D IC Virtex-7 HT系列產品正式量產,採用台積電CoWoS技術開發28奈米3D IC產品,藉由整合多晶片於單一系統而達到顯著縮小尺寸與提升功耗與效能的優勢。
賽靈思預計將在明年2月舉行的國際固態電路會議(ISSCC)上介紹一種在FPGA旁放置兩個65nm SERDES的產品。據說該公司還在開發FPGA旁邊放置ADC和DAC的元件,主要用於蜂巢式基地台。因此,這些相對高成本、低量產品的應用正緩慢擴展中。
然而,根據業界人士估計,截至目前為止,賽靈思在3D IC產品的每月銷售量還不到200片晶圓。那麼,究竟如何才能實現每個月幾萬或幾十萬片晶圓的大量銷售呢?
邏輯製造商vs記憶體製造商
根據Yole Developpement的調查報告顯示,在未來5年內,3D堆疊記憶體與3D邏輯系統單晶片(SoC)應用將是3D IC最大的成長動力。
圖2:在未來5年內,堆疊記憶體及邏輯SoC應用預計將成為推動3D IC量產的最大驅動力
台積電聲稱,該公司可為2.5D晶片堆疊提供一次購足的方案,而Globalfoundries也正努力琢磨自家的服務。事實上,開發像2.5D晶片這種複雜技術的龐大支出都足以壓得一家公司喘不過氣來了,這兩家代工廠竟能投入更高10倍的製造開銷。
AMD和NVIDIA等繪圖晶片供應商都想為其GPU旁矽中介層加進3D記憶體堆疊。然而,即使這樣建構出來的產品明顯具有更高性能與更低功耗,也並不足以成為代工廠付出更高10倍額外製造費用的好理由。
但事實上,在各種技術與製程到位後,3D IC實現量產與裝置產量的製造能力關係並不大,更重要的因素還在於由客戶來決定是否值得投資。這並不是指無法實現產品所需的產能,而是難以達到客戶願意支付的成本要求。那麼客戶在什麼情況下會願意投資呢?那當然是沒有其他辦法的不得已之時了。
因此,半導體產業在實現高量產的2.5D產品方面正處於‘先有雞還是先有蛋’的因果爭議中。
美光公司(Micron)希望其HMC能成為突破性的產品,而富士通也展示其使用多達8個HMC堆疊的電路板原型。這麼說來這種技術確實有效,也的確有其用戶存在,但卻還沒有大量市場。海力士(SK Hynix)將展示一款自行設計的記憶體堆疊,就像美光的產品一樣,這種堆疊也有4至8個DRAM晶片,可提供高達160MB/s的速度,因此這一市場也存在激烈競爭。
根據幾家潛在的客戶認為,目前還沒有任何一家3D記憶體公司做好大量供貨的準備。這一時間點或許要等到明年了。他們還期望可針對繪圖處理器推出支援的Jedec HBM介面的版本。但問題追根究底還是取決於價格。
NVIDIA公司封裝專家Abe Yee在小組討論會上對於Globalfoundries、美光、海力士與台積電等公司提出了一些建議。Yee表示,“我們已經在晶片堆疊市場上投資20億美元,儘管至今尚未得到任何回報,但還會繼續投資──供應商們也需要以同樣的方式來思考問題。”
他說:“我認為摩爾定律並不會再持續另一個20年,就算會的話,我們也必須使記憶體更靠近處理器。因此,不管你願不願意,這個市場都一定會起來,而供應商們必須認真思考如何對其進行投資。”
當然,讓其他夥伴再投資個10億說比做更容易。但另一個更重要的問題是,三星又會怎麼做呢?
三星vs蘋果
三星公司──這家韓國巨擘的產品陣容十分齊全,有DRAM、快閃記憶體、處理器,也有代工廠。該公司的4GB記憶體堆疊商用銷售也有一段時間了,因此它具有一定的3D能力。
在ARM舉辦的2013年度技術論壇上,三星甚至向與會者展示一款使用Jedec Wide IO介面將記憶體與其Exynos應用處理器堆疊在一起的3D產品。相較於區分智慧型手機SoC與記憶體的傳統作法,這種產品明顯具有更低的功耗。但三星並未透露它是否或何時會成為正式產品。
使用矽穿孔(TSV)連接邏輯與記憶體元件,以實現像智慧型手機SoC應用一樣的‘真正’3D堆疊晶片,目前還存在一些問題。例如沒人知道如何冷卻邏輯元件,以及用於TSV佈局設計的EDA工具與技巧據稱也還不成熟。
不過,無論如何,三星的工程師可能很清楚什麼時候推出用於智慧型手機的3D IC最經濟。由於三星已經在行動設備出貨數量上領先蘋果了,目前該公司並不急於採用較具風險的新技術。
與此同時,參加小組討論的一位資深工程師提供的一些資料,著實讓每個人大感意外。他表示已經對iPhone 5S中的蘋果A7處理器進行了拆解,他發現該處理器使用了一塊非常非常簡單的6層電路板──訊號、接地與訊號各二層。記憶體正出現在這塊簡單電路板的另一面。
他的分析結果顯示,蘋果已經發現一條通往3D IC的低成本道路了──將大部份智慧架構放在SoC中,而用一塊PCB作為‘陽春版的3D IC’。
因此,下一代iPhone也許就會在SoC和記憶體晶片之間使用更簡單的中介層,例如可撓性電路、玻璃或有機中介層等。對於無晶圓廠的公司來說,這是能夠和三星這一類IDM競爭的最好方式。
因此,每個人都正瞪大了眼睛仔細觀望,蘋果和三星在行動領域將如何出招?台積電與Globalfoundries,以及美光和海力士之間的角力,又將對2.5D的定價帶來什麼影響?誰又能最先取得突破?