IBM，分享混合鍵合新技術(shù)

來(lái)源：IBMresearch

幾十年來(lái)，計(jì)算機(jī)已經(jīng)從占據(jù)整個(gè)房間的機(jī)器縮小到可以戴在手腕上的設(shè)備。研究人員專(zhuān)注于增加單個(gè)計(jì)算機(jī)芯片上晶體管數(shù)量的密度，并且通常依賴(lài) SOC（或片上系統(tǒng)）來(lái)降低成本并使設(shè)備更緊湊。但是我們開(kāi)始接近我們可以將芯片的某些部分做得多小的物理極限，而其他部分在某些用例中也同樣有效，即使它們不是最小的、最前沿的設(shè)計(jì)。

這就是芯片封裝的重要性所在。封裝是在芯片或電路板上連接集成電路的過(guò)程，隨著電子設(shè)備的縮小和芯片組件本身變得越來(lái)越小，封裝變得越來(lái)越復(fù)雜。IBM 于 2021 年宣布了一款組件尺寸僅為 2 納米的芯片。隨著半導(dǎo)體行業(yè)轉(zhuǎn)向新的芯片構(gòu)造方法，封裝技術(shù)的進(jìn)步將變得越來(lái)越重要。這種轉(zhuǎn)變的一個(gè)關(guān)鍵部分是小芯片技術(shù)的興起。

對(duì)小芯片的研究表明了計(jì)算的未來(lái)可能是什么樣子。有許多新興用例（如訓(xùn)練和運(yùn)行復(fù)雜的 AI基礎(chǔ)模型）可以從新芯片設(shè)計(jì)中受益，而不是專(zhuān)注于構(gòu)建單片 SOC。chiplet 背后的概念有效地將 SOC 分解成多個(gè)復(fù)合部分（如 GPU、CPU、I/O 和內(nèi)存），并構(gòu)建對(duì)特定任務(wù)更有效的 chiplet 系統(tǒng)。就人工智能而言，你可以構(gòu)建一個(gè)小芯片系統(tǒng)，將處理單元、人工智能加速器和內(nèi)存堆棧結(jié)合在一起，所有這些都在通信和共享數(shù)據(jù)，就好像它們都在同一個(gè)芯片上一樣。

將小芯片從研究轉(zhuǎn)向生產(chǎn)需要克服的最大障礙之一是小芯片在封裝過(guò)程中粘合在一起的方式。迄今為止，大多數(shù)設(shè)計(jì)都使用位于金屬焊盤(pán)頂部的焊料或焊料和銅的組合將小芯片連接在一起。這些方法導(dǎo)致鍵合在 150 到 30 微米之間，需要非常緊密的焊接才能有效。但是 IBM 和 ASMPT（半導(dǎo)體生產(chǎn)硬件和軟件的主要供應(yīng)商）的一組研究人員一直在研究一種新的方法來(lái)結(jié)合小芯片，從而大大減少空間量。

在本周于 2023 年 IEEE 電子元器件與技術(shù)會(huì)議 (ECTC) 上發(fā)表的一篇論文中，1個(gè)研究人員概述了他們的混合鍵合概念。他們的方法在不使用焊料的情況下，將銅和氧化物熔合在只有幾個(gè)原子厚的層中。結(jié)果是小芯片之間的鍵合僅為 0.8 微米左右，比目前正在測(cè)試的其他方法要薄得多。

新的混合鍵合方法有可能增加小芯片之間的數(shù)據(jù)吞吐量，以及可以安裝在給定空間中的小芯片數(shù)量，從而使小芯片系統(tǒng)更像單個(gè) SOC。例如，它對(duì)于將 chiplet 技術(shù)集成到更小的設(shè)備以及提高 chiplet 的性能或其能效具有重大意義。

在團(tuán)隊(duì)的方法中，最艱巨的挑戰(zhàn)是確保粘合牢固，以極小的規(guī)模去除潛在的水分或氣泡。粘合層之間只有三個(gè)水分子就足以破壞層與層之間的連接。消除這種危險(xiǎn)以及氣泡，同時(shí)保持粘合在一起的各層表面清潔——并確保這一過(guò)程能夠可靠地一次又一次地進(jìn)行——是該團(tuán)隊(duì)在研究中尋求克服的主要挑戰(zhàn)。

該團(tuán)隊(duì)的方法類(lèi)似于芯片晶圓的鍵合方式，這是目前的標(biāo)準(zhǔn)行業(yè)慣例——只是規(guī)模相當(dāng)小——他們一直在使用專(zhuān)為芯片到晶圓鍵合而設(shè)計(jì)的 ASMPT 機(jī)器來(lái)執(zhí)行他們的測(cè)試。雖然該團(tuán)隊(duì)認(rèn)為他們的方法可以大規(guī)模構(gòu)建小芯片并將其結(jié)合在一起，但在研究 ASMPT 系統(tǒng)的工具方面還需要做更多的工作。

未來(lái)的系統(tǒng)將需要新的方法來(lái)解決計(jì)算問(wèn)題，因?yàn)樗鼈冏兊酶訌?fù)雜和多樣化，而小芯片提供了解決這些問(wèn)題的潛在途徑。通過(guò)混合鍵合，創(chuàng)建的系統(tǒng)就好像它們是單個(gè)芯片的一部分一樣，未來(lái)變得更加清晰。

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