3D異構(gòu)集成重塑芯片格局

AI 的快速發(fā)展迎來了半導(dǎo)體比以往任何時候都更加重要的時代。從訓(xùn)練到部署，每個 AI 模型和應(yīng)用程序的背后都隱藏著一個復(fù)雜的半導(dǎo)體網(wǎng)絡(luò)，這些網(wǎng)絡(luò)使處理大量數(shù)據(jù)所需的處理能力成為可能。AI 的激增推動了對先進半導(dǎo)體芯片的需求，推動了芯片設(shè)計和制造的界限。為了滿足這些需求，半導(dǎo)體行業(yè)越來越多地轉(zhuǎn)向 3D 異構(gòu)集成等創(chuàng)新解決方案。

打破馮·諾依曼瓶頸

傳統(tǒng)上，半導(dǎo)體行業(yè)遵循摩爾定律，該定律預(yù)測微芯片上的晶體管數(shù)量大約每兩年翻一番。幾十年來，這種對提高計算能力的不懈追求推動了晶體管的小型化。

然而，隨著我們接近縮小晶體管的物理極限，該行業(yè)面臨著新的挑戰(zhàn)，尤其是在優(yōu)化芯片架構(gòu)以管理生成式 AI 不斷增長的數(shù)據(jù)需求方面?，F(xiàn)代芯片設(shè)計中最重要的挑戰(zhàn)之一是「內(nèi)存墻」或「馮·諾依曼瓶頸」，即數(shù)據(jù)在芯片內(nèi)的內(nèi)存和邏輯單元之間傳輸?shù)乃俣仁艿较拗?。隨著 AI 模型復(fù)雜性的增加和數(shù)據(jù)集的擴展，這種瓶頸變得更加明顯，導(dǎo)致數(shù)據(jù)移動效率低下，從而阻礙整體性能。

為了克服這一瓶頸，半導(dǎo)體行業(yè)采用了 3D 異構(gòu)集成，該技術(shù)涉及垂直堆疊內(nèi)存和邏輯單元，而不是并排放置。這種垂直集成縮短了數(shù)據(jù)路徑，提高了能源效率，并允許更高的互連密度——這是實現(xiàn) AI 應(yīng)用所需的高帶寬的關(guān)鍵因素。通過采用這種方法，該行業(yè)可以繞過一些傳統(tǒng)上限制芯片性能的物理限制。

摩爾定律規(guī)范著該行業(yè)

如圖 1 所示，上述趨勢不僅可以從經(jīng)驗上觀察到，還可以從數(shù)量上反映出來。

圖 1：摩爾定律支配著整個行業(yè)。紫色：增加互聯(lián)密度以保持帶寬。藍色：晶體管數(shù)量增加，以提高邏輯能力。（數(shù)據(jù)和預(yù)測來自臺積電）

每個處理器的晶體管數(shù)量每 2.3 年翻一番，符合經(jīng)典的摩爾定律。有趣的是，另一個幾乎以相同速度增長的指標(biāo)：互連密度。摩爾定律可以追溯到 20 世紀(jì) 70 年代，而后者則是芯片帶寬需求不斷增長所帶來的最新趨勢——這也是人工智能面臨的最嚴(yán)峻挑戰(zhàn)之一。

盡管兩者是不同的衡量標(biāo)準(zhǔn)，但當(dāng)芯片性能進一步提高時，兩者不可避免地會相互聯(lián)系。要想取得成功，必須在這兩個階段（即前端和后端，因為尖端技術(shù)的進步依賴于其中任何一個階段）都有所作為。

隨著芯片向 3D 架構(gòu)發(fā)展，這些互連線的密度變得與晶體管數(shù)量同等重要。更高的互連密度可以加快數(shù)據(jù)傳輸，這對人工智能加速器和系統(tǒng)級封裝（SiP）解決方案至關(guān)重要。然而，要在不影響能效的前提下增加互連數(shù)量，就必須采用先進的材料和精密制造技術(shù)——在這些領(lǐng)域，計量學(xué)發(fā)揮著舉足輕重的作用。

在晶圓廠內(nèi)，一個晶圓需要經(jīng)過數(shù)月的數(shù)百個步驟才能轉(zhuǎn)化為高端芯片，而每個步驟都需要原子級的制造精度。瑕疵并非不存在。因此，良品率是衡量晶圓缺陷數(shù)量和程度的重要標(biāo)準(zhǔn)。高端芯片幾乎不能容忍任何缺陷，而同樣結(jié)構(gòu)的芯片，如果缺陷率增加，則可能用于較低等級的應(yīng)用。

顯然，制造商的目標(biāo)是最大限度地提高產(chǎn)量，因為在最終質(zhì)量檢查（也稱為計量）確定芯片能力之前，運營成本已經(jīng)累積。

計量在人工智能芯片制造中的關(guān)鍵作用

隨著半導(dǎo)體芯片變得越來越復(fù)雜，計量學(xué)的作用也變得越來越關(guān)鍵。計量學(xué)涉及芯片特征的精確測量和檢測，對于確保先進半導(dǎo)體器件的質(zhì)量和功能至關(guān)重要。在三維異質(zhì)集成的背景下尤其如此，傳統(tǒng)的二維測量技術(shù)已不再足夠。

新的計量工具旨在以納米級精度高速測量復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)。這些工具對于檢測缺陷、監(jiān)控關(guān)鍵尺寸和驗證半導(dǎo)體器件所用材料的完整性至關(guān)重要。例如，在生產(chǎn)人工智能應(yīng)用不可或缺的 HBM 單元時，多個 DRAM 單元的垂直整合需要原子級的精度。必須在每個芯片上鉆出通道，以最高精度連接各層，因此計量是制造過程中的關(guān)鍵步驟。

人工智能創(chuàng)新的關(guān)鍵技術(shù)集成

半導(dǎo)體公司正在不斷發(fā)展計量和檢測儀器技術(shù)，這些技術(shù)對于確保半導(dǎo)體芯片的質(zhì)量和產(chǎn)量至關(guān)重要，尤其是在三維異質(zhì)集成等先進工藝中。

鑒于行業(yè)正向更復(fù)雜的芯片架構(gòu)轉(zhuǎn)變，計量工具顯得尤為重要。隨著芯片的垂直集成度越來越高，計量工具的精度和速度對于識別和糾正缺陷變得越來越重要，否則可能會影響整個芯片的性能。

人工智能芯片制造的未來

隨著對人工智能和其他先進計算技術(shù)的需求不斷增長，對能夠提供更高性能、更高效率和前所未有的集成度的半導(dǎo)體芯片的需求也在不斷增長。三維異構(gòu)集成與先進計量技術(shù)的結(jié)合為滿足這些需求提供了一條途徑，使芯片的生產(chǎn)速度更快、體積更小、能效更高。

在這方面，Unity-SC 的三維光學(xué)計量解決方案在互連檢測和大批量制造計量方面的專業(yè)知識，從而支持以高速大批量提高產(chǎn)量。

隨著芯片架構(gòu)變得越來越復(fù)雜，功能越來越小，互連越來越錯綜復(fù)雜，精確的測量和檢測對于確保質(zhì)量和功能至關(guān)重要。這些能力對于保持高產(chǎn)量和實現(xiàn)人工智能、AR/VR 等先進技術(shù)的性能要求至關(guān)重要。