英特爾 VS 三星 VS 臺積電，愈演愈烈

三大尖端代工廠——英特爾、三星和臺積電——已開始填補(bǔ)其路線圖中的一些關(guān)鍵部分，為未來幾代芯片技術(shù)增加了積極的交付日期，并為顯著提高性能和縮短定制設(shè)計的交付時間奠定了基礎(chǔ)。

與過去不同，過去只有一張行業(yè)路線圖決定如何進(jìn)入下一個工藝節(jié)點，而如今，三家最大的代工廠正越來越多地開辟自己的道路。它們都朝著同一個大方向前進(jìn)，擁有 3D 晶體管和封裝、一系列支持和擴(kuò)展技術(shù)以及更大、更多樣化的生態(tài)系統(tǒng)。但它們在方法、架構(gòu)和第三方支持方面出現(xiàn)了一些關(guān)鍵差異。

這三者的路線圖顯示，晶體管的微縮將至少持續(xù)到 18/16/14 埃范圍，未來某個時候可能會從納米片和叉片場效應(yīng)晶體管 (FET ) 轉(zhuǎn)向互補(bǔ)場效應(yīng)晶體管 (CFET)。關(guān)鍵驅(qū)動因素是人工智能/機(jī)器學(xué)習(xí)和需要處理的數(shù)據(jù)激增，在大多數(shù)情況下，這些將涉及處理元件陣列，通常具有高水平的冗余和同質(zhì)性，以實現(xiàn)更高的產(chǎn)量。

在其他情況下，這些設(shè)計可能包含數(shù)十或數(shù)百個芯片，一些用于特定數(shù)據(jù)類型，另一些用于更通用的處理。這些芯片可以以 2.5D 配置安裝在基板上，這種方法在數(shù)據(jù)中心獲得了青睞，因為它簡化了高帶寬存儲器（HBM）的集成，也在移動設(shè)備中得到了推廣，其中還包括其他功能，例如圖像傳感器、電源和用于非關(guān)鍵功能的附加數(shù)字邏輯。這三家代工廠都在致力于完整的 3D-IC。并且還會有混合選項可用，其中邏輯堆疊在邏輯上并安裝在基板上，但與其他功能分開，以最大限度地減少熱量等物理影響——這種異構(gòu)配置被稱為 3.5D 和 5.5D。

快速和大規(guī)模定制

最大的變化之一是將特定領(lǐng)域的設(shè)計以比過去更快的速度推向市場。這聽起來可能很平常，但對于許多尖端芯片來說，這是競爭的必需品，它需要從根本上改變芯片的設(shè)計、制造和封裝方式。要使這一方案發(fā)揮作用，需要結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)、創(chuàng)新的連接方案和多種工程學(xué)科，而在過去，這些學(xué)科之間的互動有限，甚至沒有互動。

有時被稱為「大規(guī)模定制」，它包括通常的功率、性能和面積/成本 (PPA/C) 權(quán)衡，以及快速組裝選項。這是異構(gòu)芯片組件的前景，從擴(kuò)展的角度來看，它標(biāo)志著摩爾定律的下一階段。十多年來，整個半導(dǎo)體生態(tài)系統(tǒng)一直在逐步為這一轉(zhuǎn)變奠定基礎(chǔ)。

但讓異構(gòu)芯片（本質(zhì)上是來自多家供應(yīng)商和代工廠的強(qiáng)化 IP）協(xié)同工作是一項既必要又艱巨的工程挑戰(zhàn)。第一步是以一致的方式將芯片連接在一起，以實現(xiàn)可預(yù)測的結(jié)果，而這正是代工廠投入大量精力的地方，特別是在通用芯片互連快速通道 (UCIe) 和線束 (BoW) 標(biāo)準(zhǔn)方面。雖然這種連接性是這三者的關(guān)鍵要求，但它也是主要分歧領(lǐng)域之一。

在完全集成 3D-IC 之前，英特爾代工廠目前的解決方案是開發(fā)業(yè)內(nèi)人士所稱的芯片「插槽」。該公司沒有針對商業(yè)市場對每個芯片進(jìn)行特性描述，而是定義了規(guī)格和接口，以便芯片供應(yīng)商可以開發(fā)這些功能有限的微型芯片來滿足這些規(guī)格。這解決了商業(yè)芯片市場的一大障礙。從數(shù)據(jù)速度到熱量和噪音管理，所有部件都需要協(xié)同工作。

英特爾的方案在很大程度上依賴于其于 2014 年首次推出的嵌入式多芯片互連橋 (EMIB)。英特爾技術(shù)開發(fā)副總裁 Lalitha Immaneni 表示：「EMIB 基座的真正酷之處在于你可以添加任意數(shù)量的芯片?！埂肝覀儗υO(shè)計中可以使用的 IP 數(shù)量沒有限制，而且它不會增加中介層的尺寸，因此它具有成本效益，并且與工藝無關(guān)。我們提供了一個封裝組裝設(shè)計套件，它就像傳統(tǒng)的組裝 PDK。我們?yōu)樗麄兲峁┰O(shè)計規(guī)則、參考流程，并告訴他們允許的結(jié)構(gòu)。它還會為他們提供我們將其帶入組裝所需的任何附屬品?！?/span>

根據(jù)設(shè)計，一個封裝中可以有多個 EMIB，并輔以熱界面材料 (TIM)，以散發(fā)可能滯留在封裝內(nèi)的熱量。TIM 通常是設(shè)計用于將熱量從源頭傳導(dǎo)出去的墊片，隨著封裝內(nèi)的計算量增加以及基板變薄以縮短信號需要傳輸?shù)木嚯x，TIM 變得越來越常見。

但基板越薄，散熱效果就越差，這會導(dǎo)致熱梯度與工作負(fù)荷有關(guān)，因此很難預(yù)測。消除這些熱量可能需要 TIM、額外的散熱器，甚至可能需要更奇特的冷卻方法，例如微流體。

臺積電和三星都提供橋接器。三星在 RDL 中嵌入了橋接器（一種稱為 2.3D 或 I-Cube ETM 的方法），并使用它們將子系統(tǒng)連接到這些橋接器，以加快硅片的使用壽命。一些集成工作將在已知良好的模塊中預(yù)先完成，而不是依賴插座方法。

Arm 首席執(zhí)行官 Rene Haas 在最近的三星代工廠活動上發(fā)表主題演講時表示：「將兩個、四個或八個 CPU 組合成一個系統(tǒng)是非常成熟的客戶知道如何做的事情。但是如果你想構(gòu)建一個 SoC，它有 128 個連接到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的 CPU、內(nèi)存結(jié)構(gòu)、與 NPU 接口的中斷控制器、連接到另一個芯片的片外總線，那么這需要大量工作。在過去的一年半里，我們看到許多人都在構(gòu)建這些復(fù)雜的 SoC，希望從我們這里得到更多。」

三星還一直在組建小型芯片供應(yīng)商聯(lián)盟，針對特定市場。最初的概念是一家公司制造 I/O 芯片，另一家公司制造互連，第三家公司制造邏輯，當(dāng)這種方法被證明可行時，其他公司就會加入其中，為客戶提供更多選擇。

臺積電嘗試過多種不同的方案，包括 RDL 和非 RDL 橋接、扇出、2.5D 晶圓基板芯片 (CoWoS) 和集成芯片系統(tǒng) (SoIC)，后者是一種 3D-IC 概念，其中芯片使用非常短的互連線封裝和堆疊在基板內(nèi)。事實上，臺積電幾乎為每種應(yīng)用都提供了工藝設(shè)計套件，并且一直在積極創(chuàng)建用于先進(jìn)封裝的組裝設(shè)計套件，包括與之配套的參考設(shè)計。

挑戰(zhàn)在于，愿意投資這些復(fù)雜封裝的代工廠客戶越來越希望獲得高度定制的解決方案。為了實現(xiàn)這一點，臺積電推出了一種名為 3Dblox 的新語言，這是一種自上而下的設(shè)計方案，融合了物理和連接結(jié)構(gòu)，允許在兩者之間應(yīng)用斷言。這種沙盒方法允許客戶利用其任何一種封裝方法——InFO、CoWoS 和 SoIC。這對臺積電的商業(yè)模式也至關(guān)重要，因為該公司是三家公司中唯一一家純代工廠——盡管英特爾和三星近幾個月都已疏遠(yuǎn)了代工業(yè)務(wù)。

「我們從模塊化的概念開始，」臺積電先進(jìn)技術(shù)和掩模工程副總裁 Jim Chang 在 2023 年 3Dblox 首次推出時的一次演示中說道。「我們可以用這種語言語法加上斷言來構(gòu)建完整的 3D-IC 堆疊。」

Chang 表示，造成這種情況的原因是物理和連接設(shè)計工具之間缺乏一致性。但他補(bǔ)充說，一旦開發(fā)出這種方法，它還可以在不同的設(shè)計中重復(fù)使用芯片，因為大部分特性已經(jīng)明確定義，而且設(shè)計都是模塊化的。

圖 1：臺積電的 3Dblox 方法。來源：臺積電

三星隨后于 2023 年 12 月推出了自己的系統(tǒng)描述語言 3DCODE。三星和臺積電都聲稱他們的語言是標(biāo)準(zhǔn)，但它們更像是新的代工廠規(guī)則平臺，因為這些語言不太可能在自己的生態(tài)系統(tǒng)之外使用。英特爾的 2.5D 方法不需要新的語言，因為規(guī)則是由插槽規(guī)范決定的，它以縮短上市時間和為芯片開發(fā)人員提供更簡單的方法為代價，實現(xiàn)了一些定制化。

芯片挑戰(zhàn)

芯片具有明顯優(yōu)勢。它們可以在任何合理的工藝節(jié)點上獨立設(shè)計，這對于模擬功能尤其重要。但如何將各個部分組合在一起并產(chǎn)生可預(yù)測的結(jié)果一直是一項重大挑戰(zhàn)。事實證明，DARPA 提出的最初類似樂高的架構(gòu)方案比最初設(shè)想的要復(fù)雜得多，需要廣大生態(tài)系統(tǒng)付出大量持續(xù)努力才能實現(xiàn)。

芯片組需要精確同步，以便關(guān)鍵數(shù)據(jù)能夠無延遲地處理、存儲和檢索。否則，可能會出現(xiàn)時間問題，即一項計算要么延遲，要么與其他計算不同步，從而導(dǎo)致延遲和潛在的死鎖。在任務(wù)或安全關(guān)鍵型應(yīng)用中，一秒鐘的損失都可能造成嚴(yán)重后果。

簡化設(shè)計流程是一項極其復(fù)雜的工作，尤其是針對特定領(lǐng)域的設(shè)計，因為沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。這三家代工廠的目標(biāo)是為開發(fā)高性能、低功耗芯片的公司提供更多選擇。據(jù)估計，目前所有前沿設(shè)計中約有 30% 到 35% 都由谷歌、Meta、微軟和特斯拉等大型系統(tǒng)公司負(fù)責(zé)，前沿芯片和封裝設(shè)計的經(jīng)濟(jì)性發(fā)生了重大變化，PPA/C 公式和權(quán)衡也發(fā)生了重大變化。

為這些系統(tǒng)公司開發(fā)的芯片可能不會進(jìn)行商業(yè)銷售。因此，如果他們能夠?qū)崿F(xiàn)更高的每瓦性能，那么設(shè)計和制造成本可以通過降低冷卻功率和提高利用率來抵消——并且可能減少服務(wù)器數(shù)量。對于銷售給移動設(shè)備和商用服務(wù)器的芯片來說，情況正好相反，高昂的開發(fā)成本可以通過大量生產(chǎn)來攤銷。先進(jìn)封裝中的定制設(shè)計對兩者都有經(jīng)濟(jì)效益，但原因卻大不相同。

縮小、放大和縮小

據(jù)估計，在這些復(fù)雜的小芯片系統(tǒng)中，將有多種類型的處理器，一些是高度專業(yè)化的，另一些則更通用。由于功率預(yù)算有限，至少其中一些可能會在最先進(jìn)的工藝節(jié)點上開發(fā)。先進(jìn)節(jié)點仍然提供更高的能源效率，這使得更多的晶體管可以封裝到相同的區(qū)域中，以提高性能。這對于 AI/ML 應(yīng)用至關(guān)重要，因為要更快地處理更多數(shù)據(jù)，需要在高度并行的配置中進(jìn)行更多的乘法/累加運算。更小的晶體管提供更高的能源效率，允許每平方毫米硅片進(jìn)行更多的處理，但需要改變柵極結(jié)構(gòu)以防止泄漏，這就是 forksheet FET 和 CFET 即將問世的原因。

簡而言之，工藝領(lǐng)先仍然具有價值。率先將尖端工藝推向市場對企業(yè)有利，但這只是更大難題中的一塊拼圖。三家代工廠都宣布計劃向埃級工藝邁進(jìn)。英特爾計劃今年推出 18A 工藝，幾年后再推出 14A 工藝。

圖 2：英特爾的工藝路線圖。來源：英特爾代工廠

與此同時，臺積電將在 2027 年增加 A16（見下圖 3）。

圖 3：臺積電進(jìn)入埃時代的縮放路線圖。來源：臺積電

三星將在 2027 年左右利用其 SF1.4 將分辨率提升至 14 埃，顯然跳過了 18/16 埃。（見圖 4）

圖 4：三星的工藝擴(kuò)展路線圖。來源：三星代工廠

從工藝節(jié)點的角度來看，這三家代工廠都處于同一軌道上。但進(jìn)步不再僅僅與工藝節(jié)點有關(guān)。人們越來越關(guān)注特定領(lǐng)域的延遲和每瓦性能，而這正是在真正的 3D-IC 配置中邏輯堆疊的優(yōu)勢所在，使用混合鍵將芯片連接到基板和彼此。通過平面芯片上的導(dǎo)線移動電子仍然是最快的（假設(shè)信號不必從芯片的一端傳輸?shù)搅硪欢耍?，但將晶體管堆疊在其他晶體管之上是次優(yōu)選擇，在某些情況下甚至比平面 SoC 更好，因為一些垂直信號路徑可能更短。

在最近的一次演講中，三星代工廠代工業(yè)務(wù)開發(fā)副總裁 Taejoong Song 展示了一個路線圖，該路線圖以邏輯疊加技術(shù)為特色，將邏輯疊加技術(shù)安裝在基板上，將 2nm（SF2）芯片與 4nm（SF4X）芯片組合在一起，兩者都安裝在另一塊基板上。這基本上是 2.5D 封裝上的 3D-IC，也就是前面提到的 3.5D 或 5.5D 概念。Song 表示，該代工廠將從 2027 年開始在 SF2P 上堆疊 SF1.4。這種方法特別吸引人的地方在于散熱的可能性。通過將邏輯與其他功能分開，熱量可以通過基板或五個暴露面中的任何一個從堆疊的芯片中排出。

圖 5：三星用于 AI 的 3D-IC 架構(gòu)。來源：三星

與此同時，英特爾將利用其 Foveros Direct 3D 將邏輯堆疊在邏輯上，無論是面對面還是面對面。根據(jù)英特爾的最新白皮書，這種方法允許來自不同代工廠的芯片或晶圓，連接帶寬由銅通孔間距決定。該論文指出，第一代將使用 9μm 的銅間距，而第二代將使用 3μm 的間距。

圖 6：英特爾的 Foveros Direct 3D。來源：英特爾

「真正的 3D-IC 配備了 Foveros，然后還配備了混合鍵，」英特爾的 Immaneni 說?！改悴荒茏邆鹘y(tǒng)的設(shè)計路線，把所有東西放在一起，然后進(jìn)行驗證，然后發(fā)現(xiàn)，『哎呀，我遇到了問題?！荒悴荒茉龠@樣做了，因為你會影響你的上市時間。所以你真的想提供一個沙盒來讓它變得可預(yù)測。但即使在我進(jìn)入這個詳細(xì)的設(shè)計環(huán)境之前，我也想運行我的機(jī)械/電氣/熱分析。我想看看連接性，這樣我就不會有開路和短路。3D-IC 的負(fù)擔(dān)更多地在于代碼設(shè)計，而不是執(zhí)行?！?/span>

Foveros 允許將主動邏輯芯片堆疊在另一個主動或被動芯片上，并使用基礎(chǔ)芯片以 36 微米間距連接封裝中的所有芯片。通過利用先進(jìn)的分類技術(shù)，英特爾聲稱它可以保證 99% 的已知良好芯片和 97% 的組裝后測試良率。

與此同時，臺積電的 CoWoS 已被 NVIDIA 和 AMD 用于其 AI 芯片的先進(jìn)封裝。CoWoS 本質(zhì)上是一種 2.5D 方法，使用中介層通過硅通孔連接 SoC 和 HBM 內(nèi)存。該公司對 SoIC 的計劃更加雄心勃勃，將邏輯上的內(nèi)存與傳感器等其他元素一起封裝在生產(chǎn)線前端的 3D-IC 中。這可以顯著減少多層、尺寸和功能的組裝時間。臺積電聲稱，與其他 3D-IC 方法相比，其鍵合方案可以實現(xiàn)更快、更短的連接。一份報道稱，蘋果將從明年開始使用臺積電的 SoIC 技術(shù)，而 AMD 將擴(kuò)大對這種方法的使用。

其他創(chuàng)新

工藝和封裝技術(shù)的到位為更廣泛的競爭選擇打開了大門。與過去由大型芯片制造商、設(shè)備供應(yīng)商和 EDA 公司定義芯片路線圖不同，小芯片世界為最終客戶提供了做出這些決策的工具。這在很大程度上是由于可以放入封裝中的功能數(shù)量與可以放入 SoC 光罩限制內(nèi)的功能數(shù)量不同?？梢愿鶕?jù)需要水平或垂直擴(kuò)展封裝，在某些情況下，它們可以通過垂直布局規(guī)劃來提高性能。

但鑒于云端和邊緣領(lǐng)域的巨大機(jī)遇（尤其是隨著人工智能的普及），三大代工廠及其生態(tài)系統(tǒng)正在競相開發(fā)新功能和新特性。在某些情況下，這需要利用他們已有的資源。在其他情況下，這需要全新的技術(shù)。

例如，三星已經(jīng)開始詳細(xì)規(guī)劃定制 HBM 計劃，其中包括 3D DRAM 堆棧，其下層是可配置的邏輯層。這是第二次采用這種方法。早在 2011 年，三星和美光就共同開發(fā)了混合內(nèi)存立方體，將 DRAM 堆棧封裝在邏輯層上。在 JEDEC 將 HBM 變成標(biāo)準(zhǔn)后，HBM 贏得了這場戰(zhàn)爭，而 HMC 則基本消失了。但 HMC 方法沒有什么問題，只是時機(jī)不對。

三星計劃在新形式中提供定制 HBM 作為一種選擇。內(nèi)存是決定性能的關(guān)鍵要素之一，在內(nèi)存和處理器之間更快地讀寫和來回移動數(shù)據(jù)的能力會對性能和功耗產(chǎn)生重大影響。如果內(nèi)存的大小適合特定的工作負(fù)載或數(shù)據(jù)類型，并且如果某些處理可以在內(nèi)存模塊內(nèi)部完成，那么需要移動的數(shù)據(jù)就會減少，那么這些數(shù)字可能會顯著提高。

圖 7：三星路線圖和創(chuàng)新。來源：Semiconductor Engineering/MemCon 2024

與此同時，英特爾一直在研究一種更好的方法來為密集排列的晶體管供電，隨著晶體管密度和金屬層數(shù)量的增加，這個問題一直存在。過去，電源是從芯片頂部向下輸送的，但在最先進(jìn)的節(jié)點上出現(xiàn)了兩個問題。一是實際上為每個晶體管提供足夠的功率的挑戰(zhàn)。二是噪聲，它可能來自電源、基板或電磁干擾。如果沒有適當(dāng)?shù)钠帘巍捎陔娊橘|(zhì)和電線越來越薄，在每個新節(jié)點上屏蔽變得越來越困難——噪聲會影響信號完整性。

通過芯片背面供電可以最大限度地減少此類問題，并減少線路擁堵。但這也帶來了其他挑戰(zhàn)，例如如何在不損壞結(jié)構(gòu)的情況下在較薄的基板上鉆孔。英特爾顯然已經(jīng)解決了這些問題，并計劃今年推出其 PowerVia 背面供電方案。

臺積電表示，計劃在 2026/2027 年實現(xiàn) A16 背面供電。三星的時間表大致相同，將在 SF2Z 2nm 工藝中實現(xiàn)背面供電。

英特爾還宣布了玻璃基板的計劃，這種基板可以提供比 CMOS 更好的平面度和更低的缺陷率。這在先進(jìn)節(jié)點尤其重要，因為即使是納米級的凹坑也會引起問題。與背面供電一樣，處理問題也比比皆是。好處是玻璃的熱膨脹系數(shù)與硅相同，因此它與硅元件（如芯片）的膨脹和收縮兼容。經(jīng)過多年的冷落，玻璃突然變得非常有吸引力。事實上，臺積電和三星都在研究玻璃基板，整個行業(yè)都開始用玻璃進(jìn)行設(shè)計，在不破裂的情況下處理它，并對其進(jìn)行檢查。

與此同時，臺積電高度重視建立生態(tài)系統(tǒng)和擴(kuò)大其工藝產(chǎn)品。許多業(yè)內(nèi)人士表示，臺積電的真正優(yōu)勢在于能夠為幾乎任何工藝或封裝提供工藝開發(fā)套件。據(jù)《日經(jīng)新聞》報道，該代工廠生產(chǎn)了全球約 90% 的最先進(jìn)芯片。它還擁有所有代工廠中最先進(jìn)的封裝經(jīng)驗最豐富、生態(tài)系統(tǒng)最大、最廣泛，這一點很重要。

這個生態(tài)系統(tǒng)至關(guān)重要。芯片行業(yè)非常復(fù)雜和多樣化，沒有一家公司可以包辦所有事情。未來的問題是這些生態(tài)系統(tǒng)到底有多完整，特別是如果流程數(shù)量繼續(xù)增長的話。例如，EDA 供應(yīng)商是必不可少的推動者，任何流程或封裝方法要想成功，設(shè)計團(tuán)隊都需要自動化。但是流程和封裝選項越多，EDA 供應(yīng)商就越難以支持每一個漸進(jìn)式更改或改進(jìn)，并且公告和交付之間的滯后時間可能會更長。

結(jié)論

最近的供應(yīng)鏈故障和地緣政治讓美國和歐洲確信，他們需要將制造業(yè)遷回本土并「友好移居」。對半導(dǎo)體晶圓廠、設(shè)備、工具和研究的投資是前所未有的。這對三大代工廠的影響還有待觀察，但它無疑為新技術(shù)提供了一些動力，例如共封裝光學(xué)器件、大量新材料和低溫計算。

所有這些變化對市場份額的影響越來越難以追蹤。這不再關(guān)乎哪家代工廠在最小的工藝節(jié)點上生產(chǎn)芯片，甚至也不再關(guān)乎出貨的芯片數(shù)量。一個先進(jìn)的封裝可能有幾十個小芯片。真正的關(guān)鍵是能夠快速高效地向客戶提供重要的解決方案。在某些情況下，驅(qū)動因素是每瓦性能，而在其他情況下，可能是獲得結(jié)果的時間，而功耗是次要考慮因素。還有一些情況下，它可能是只有一家領(lǐng)先的代工廠才能提供足夠數(shù)量的功能組合。但很明顯，代工廠的競爭比以往任何時候都要復(fù)雜得多，而且情況正在變得更為復(fù)雜。在這個高度復(fù)雜的世界中，簡單的比較指標(biāo)已不再適用。