說到AI伺服器的能耗問題，不少半導(dǎo)體業(yè)者的直覺反應(yīng)，就是靠摩爾定律解決不就好了？例如，臺積剛量產(chǎn)的3納米制程，能耗可以較前一代5納米降三成到三成五。但有趣的是，英偉達最新、最高階的GPU都不是當(dāng)下臺積的最先進制程。

　　「已經(jīng)好幾代都是這樣，」一位資深半導(dǎo)體分析師也觀察到這現(xiàn)象。

　　「黃仁勛算盤打得很精，」該分析師說，主要是近年先進制程愈來愈貴，得到的效能提升卻愈來愈小，英偉達寧可等個兩年，待制程良率穩(wěn)定、價格下跌再進場，并選擇將資源投在軟體優(yōu)化、新架構(gòu)上，「效果可能好上10倍，可說是本小利多，」該分析師坦言。

　　英偉達能如此好整以暇，一大原因也是其寡占AI市場，沒有導(dǎo)入昂貴新制程的迫切理由。這對于臺積的未來可能是個警訊。

　　首先，去年臺積高速運算業(yè)務(wù)占營收比重達41%，首度超越智能型手機的39%。

　　業(yè)界都將之視為典范轉(zhuǎn)移。智能型手機市場已成熟，以AI為首的高速運算，將成為未來臺積的成長火車頭。

　　但英偉達對最先進制程的不積極態(tài)度，讓上述說法，顯得有點一廂情愿。

　　然而，一位英偉達供應(yīng)商高層告訴《天下》，英偉達GPU之一H100的技術(shù)重點，其實是在旁邊整顆用臺積的CoWoS技術(shù)，與6顆昂貴的第三代高頻記憶體（HBM3）連接起來的架構(gòu)，每一顆記憶體可擴充到80GB、每秒3TB的超高速資料傳輸，讓美國科技媒體驚呼「怪物」。

　　這是「后摩爾時代」的技術(shù)特征。英偉達競爭者超微的MI300，也有類似架構(gòu)。與此同時，據(jù)臺灣《電子時報》，近期業(yè)界傳出，微軟正在接觸臺積電供應(yīng)鏈及旗下設(shè)計公司，希望將臺積電代工廠的CoWoS封裝技術(shù)用于其自研AI芯片。

　　臺積電CoWoS：10年進化5代的封裝技術(shù)

　　正如之前所說，臺積電根據(jù)中介層（interposer）的不同，將其“CoWoS”封裝技術(shù)分為三種類型。一種是“CoWoS_S（Silicon Interposer）”，它使用硅（Si）襯底作為中介層。這種類型是2011年開發(fā)的第一個“CoWoS”技術(shù)，在過去，“CoWoS”是指以硅基板作為中介層的先進封裝技術(shù)。

　　另一種是“CoWoS_R（RDL Interposer）”，它使用重新布線層（RDL）作為中介層。

　　第三個是“CoWoS_L（Local Silicon Interconnect and RDL Interposer）”，它使用小芯片（chiplet）和RDL作為中介層。請注意，“本地硅互連”通常被臺積電縮寫為“LSI”。

　　“CoWoS_S”（傳統(tǒng)的“CoWoS”）的橫截面結(jié)構(gòu)示例。是所謂2.5D封裝的代表。通過在作為中介層的硅基板上形成高密度布線和硅通孔（TSV），可以在硅芯片之間緊密放置并傳輸高速信號

　　繼續(xù)擴大中介層面積、晶體管數(shù)量和內(nèi)存容量

　　“CoWoS_S”（原“CoWoS”）于2011年開發(fā)。這被稱為“第一代（Gen-1）”CoWoS封裝技術(shù)首先是被 Xilinx 的高端 FPGA 采用。其中，Si 中介層的最大尺寸為775mm 2 (25 mm x 31 mm)。它接近一個掩模版的曝光尺寸（26mm x 33mm）（在 ArF 浸入式光刻機的情況下）。FPGA 芯片制造技術(shù)是 28 納米 CMOS 工藝。采用該技術(shù)的賽靈思高端FPGA“7V2000T”在“CoWoS_S”中配備了四個FPGA邏輯芯片。

　　在2014年開發(fā)的第二代“CoWoS_S”中，硅中介層擴大到1150mm2。接近1287mm2，這是1.5分劃板的曝光面積。2015年被賽靈思高端FPGA“XCVU440”采用。它配備了三個 FPGA 邏輯芯片。FPGA 芯片制造技術(shù)是 20 納米 CMOS 工藝。

　　在2016年開發(fā)的第三代“CoWoS_S”中，雖然Si中介層的尺寸沒有太大變化，但高速DRAM模塊“HBM”和邏輯首次混合使用。2016年率先被NVIDIA的高端GPU“GP100”采用。在這種封裝下，GPU 芯片和“HBM2”混合在一起。HBM2 是硅片疊層模塊（4 個 DRAM 芯片和 1 個基片（底部）通過 TSV 連接），“GP100”配備了 4 個16GB（128Gbit的HBM2 模塊和大容量的DRAM和GPU高速連接。

　　在 2019 年開發(fā)的第4代“CoWoS_S”中，Si 中介層的尺寸已擴大到相當(dāng)于兩個光罩的曝光面積——大約1700 mm 2。這個巨大的中介層裝有一個大型邏輯芯片和 6 個 HBM2。由于一個HBM2存儲的容量增加到8GB（64Gbit），所以總?cè)萘繛?8GB（384Gbit），是第三代容量的3倍。

　　要集成的邏輯和內(nèi)存總是很大

　　在上文中我們談到，高性能封裝技術(shù)“CoWoS（Chip on Wafer on Substrate）”從首次開發(fā)起約10年的時間內(nèi)推出了多款衍生產(chǎn)品。接下來，讓我們還回顧一下“CoWoS”技術(shù)自 2011 年首次開發(fā)以來的發(fā)展歷程。

　　最初的“CoWoS”技術(shù)使用硅（Si）襯底作為中間襯底（中介層）。目前，臺積電稱這種類型為“CoWoS_S（Silicon Interposer）”。正如第一部分所解釋的，從2011年的第一代到2019年的第四代，CoWoS技術(shù)不斷擴大中介層面積、晶體管數(shù)量和內(nèi)存容量。

　    中介層原本很大，但現(xiàn)在變得更大了。第一代的面積相當(dāng)于一個標(biāo)線（775mm2），第二代和第三代的面積相當(dāng)于1.5個標(biāo)線（1150mm2和1170mm2）。在第 4 代中，它變得更大，達到了相當(dāng)于兩個標(biāo)線 (1700mm2 ) 的面積。

　　最初，安裝在中介層上的硅芯片是多個邏輯芯片。從第3代開始，它支持邏輯和內(nèi)存的混合加載。它現(xiàn)在配備了一個邏輯 (SoC) 芯片和一組高速DRAM模塊“HBM（高帶寬內(nèi)存）”的層壓芯片。具體來說，將一個SoC芯片和四個 HBM（4GBx4，總共16GB）安裝在一起。到了第4代，SoC die的面積（集成規(guī)模）擴大了，要混合的 HBM 數(shù)量增加到了6個。通過將一個 HBM 的存儲容量增加一倍，HBM 的總?cè)萘恳扬@著增加到第三代的三倍（48GB）。

　　“CoWoS_S”的改進助推HPC系統(tǒng)演進

　　臺積電在今年（2021年）開發(fā)的第5代“CoWoS_S”將Si中介層進一步擴大到2500mm2，這相當(dāng)于3個光罩，是第3代的兩倍大，安裝了8個HBM。Logic 的硅芯片再次成為小芯片，在總面積為1200mm2 的地方放置了兩個迷你芯片?？砂惭b的 HBM 規(guī)格為“HBM2E”（HBM 2nd generation 的增強版）。

　　通過使銅 (Cu) 布線比以前更厚，Si 中介層的重新布線層 (RDL) 將薄層電阻降低到不到一半。用 5 層銅線連接硅芯片。臺積電還重新設(shè)計了 TSV，以減少由于硅穿透孔 (TSV) 引起的高頻損耗。重新設(shè)計后，2GHz至14GHz高頻范圍內(nèi)的插入損耗（S21）從傳統(tǒng)的0.1dB以上降低到0.05dB以上。此外，通過將具有深槽的高容量電容器“eDTC（嵌入式深溝槽電容器）”裝入 Si 中介層，臺積電進一步穩(wěn)定了電源系統(tǒng)。eDTC 的電容密度為 300nF/mm2。在100MHz至2GHz的頻率范圍內(nèi)，配電網(wǎng)絡(luò) (PDN) 的阻抗已通過eDTC降低到35%以下。

　　支持第5代“CoWoS_S”（傳統(tǒng)“CoWoS”）的基本技術(shù)

　　下一代（第6代）“CoWoS_S”計劃于2023年開發(fā)。Si中介層的尺寸更大，有四個掩模版。通過簡單的計算，它達到約3400mm2 (約58.6mm見方)。邏輯部分配備了兩個或更多帶有小芯片的迷你芯片，內(nèi)存部分配備了12個HBM。相應(yīng)的HBM規(guī)范似乎是“HBM3”。

　　硅中介層將處理器處理性能提升 2.5 倍

　　高性能計算（HPC）的封裝技術(shù)“CoWoS（Chip on Wafer on Substrate）”首次出現(xiàn)在10年前（2011年）。正如前文所說，在過去十年里，我們不斷擴大集成規(guī)模，提升每一代的性能，并為“CoWoS”開發(fā)了衍生產(chǎn)品，目前主流產(chǎn)品的名稱已更改為“CoWoS_S”。“_S”表示將硅（Si）基板用于中間基板（中介層）。

　　除了高密度連接之外，硅中介層在緩解封裝基板（樹脂基板）和硅芯片（邏輯芯片、存儲器芯片等）之間發(fā)生的熱變形方面也扮演著重要的角色。因為熱失真會導(dǎo)致電路操作延遲。

　　在一個活動上，臺積電展示了倒裝芯片連接封裝和 CoWoS 封裝與7nm代 CMOS 邏輯的 CPI（每條指令的時鐘數(shù)）的比較結(jié)果。如果在倒裝芯片連接到封裝板（樹脂板）的700 mm 2 SoC（片上系統(tǒng)）芯片上將 CPI 設(shè)置為“1”，則采用 CoWoS_S 技術(shù)封裝的 840mm2 SoC 芯片的 CPI短至“0.4”。成為。這意味著指令處理性能提高了 2.5 倍。

　　混合寬帶存儲器“HBM”和SoC的“CoWoS_S”的標(biāo)準(zhǔn)化配置和布局

　　“CoWoS_S”的特點是混合了寬帶內(nèi)存模塊“HBM（High Bandwidth Memory）”和大規(guī)模SoC的高性能子系統(tǒng)。通過Si中介層連接HBM和SoC，實現(xiàn)了寬帶內(nèi)存訪問。

　　“HBM”的規(guī)格對于每一代都有共同的標(biāo)準(zhǔn)。產(chǎn)品的傳播始于第二代“HBM2”。下一代是HBM2的增強版“HBM2E”。下一代是“HBM3”，容量越來越大，帶寬越來越寬。

　　此外，“CoWoS_S”中安裝的HBM數(shù)量將增加，Si中介層面積將增加，SoC制造技術(shù)將小型化。SoC 的形式將從單芯片變?yōu)樾⌒酒俚絊oIC（集成芯片系統(tǒng)）。構(gòu)成“CoWoS_S”的元素技術(shù)將會增加并變得更加復(fù)雜。

　　因此，臺積電提供具有標(biāo)準(zhǔn)化配置和布局的“CoWoS_S STAR（標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)）”，以便作為客戶的半導(dǎo)體供應(yīng)商可以快速開發(fā)采用“CoWoS_S”的子系統(tǒng)?？墒褂脤?yīng)于 HBM2 的“STAR 1.0”和對應(yīng)于 HBM2E 的“STAR 2.0”。

　　標(biāo)準(zhǔn)化的是硅中介層的最大尺寸、HBM 的數(shù)量和硅芯片的布局。客戶可以從三種基本規(guī)格中進行選擇：最大配置、中間配置和最小配置。

　　最大配置是硅中介層，其曝光面積相當(dāng)于掩模版的兩倍。SoC（或ASIC）布置在中央，三個HBM分別放置在其左右兩側(cè)。

　　中間配置的曝光面積相當(dāng)于硅中介層最大尺寸的掩模版的 1.5 倍。SoC布局在中央，左右兩側(cè)分別放置了兩個HBM。

　　最小配置是硅中介層的最大尺寸，即相當(dāng)于光罩1.3倍的曝光面積。兩個 HBM 沿 SoC（或 ASIC）的側(cè)面放置。

　　HBM2兼容“STAR 1.0”和HBM2E兼容“STAR 2.0”從最大配置到最小配置的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格相同。似乎他們有意識地在“STAR 2.0”中重用“STAR 1.0”的開發(fā)資源。

　　臺積電先進制程和封裝的更多細節(jié)

　　臺積電院士兼副總裁 LC Lu 在之前的一個短短 26 分鐘演講內(nèi)用數(shù)十張幻燈片談到了實現(xiàn)系統(tǒng)創(chuàng)新。

　　臺積電是全球排名第一的半導(dǎo)體代工企業(yè)，他們的開放式創(chuàng)新平臺 (OIP) 活動很受歡迎，參加人數(shù)也很多，因為所提供的工藝技術(shù)和 IP 對許多半導(dǎo)體設(shè)計領(lǐng)域都非常有吸引力。臺積電技術(shù)路線圖顯示了到 2025 年的 FinFET 和 Nanosheet 計劃的時間表。

　　從 N3 開始，出現(xiàn)了一種名為FinFlex的新產(chǎn)品，它使用設(shè)計技術(shù)協(xié)同優(yōu)化 (DTCO)，有望為節(jié)能和高性能等細分市場改進功率、性能和面積 (PPA)。借助 FinFlex 方法，設(shè)計人員可以根據(jù)其設(shè)計目標(biāo)從三種晶體管配置中進行選擇：

　　3-2 fin blocks，用于高性能

　　2-2 fin，高效性能

　　2-1 fin，功率最低，密度最佳

　　工藝節(jié)點 N16 到 N3 中使用的fin選擇的歷史如下所示：

　　EDA 供應(yīng)商 Synopsys、Cadence、Siemens EDA 和 ANSYS 已經(jīng)更新了他們的工具以支持 FinFlex，并且在單個 SoC 中，您甚至可以混合使用fin block選項。沿著時序關(guān)鍵路徑，您可以使用高fin單元，而非關(guān)鍵路徑單元可以是低fin。作為進程縮放優(yōu)勢的示例，Lu 展示了一個 ARM Cortex-A72 CPU，在 N7 中實現(xiàn)，具有 2 個fin，N5 具有 2 個fin，最后是 N3E 具有 2-1 個fin：

　　N3E 的 IP 單元來自多家供應(yīng)商：TSMC、Synopsys、Silicon Creations、Analog Bits、eMemory、Cadence、Alphawave、GUC、Credo。IP 準(zhǔn)備狀態(tài)分為三種狀態(tài)：硅報告準(zhǔn)備就緒、硅前設(shè)計套件準(zhǔn)備就緒和開發(fā)中。

　　在 TSMC，他們的模擬 IP 使用結(jié)構(gòu)化程度更高的規(guī)則布局，這會產(chǎn)生更高的產(chǎn)量，并讓 EDA 工具自動化模擬流程以提高生產(chǎn)力。TSMC 模擬單元具有均勻的多晶硅和氧化物密度，有助于提高良率。他們的模擬遷移流程、自動晶體管大小調(diào)整和匹配驅(qū)動的布局布線支持使用 Cadence 和 Synopsys 工具實現(xiàn)設(shè)計流程自動化。

　　模擬單元可以通過以下步驟進行移植：原理圖移植、電路優(yōu)化、自動布局和自動布線。例如，使用他們的模擬遷移流程將 VCO 單元從 N4 遷移到 N3E 需要 20 天，而手動方法需要 50 天，快了大約 2.5 倍。

　　臺積電需要考慮三種類型的封裝，分別是二維封裝（InFO_oS、InFO_PoP）2.5D封裝（CoWoS）和3D封裝（SoIC和InFO-3D）

　　3DFabric 中有八種包裝選擇：

　　最近使用 SoIC 封裝的一個例子是 AMD EPYC 處理器，這是一種數(shù)據(jù)中心 CPU，它的互連密度比 2D 封裝提高了 200 倍，比傳統(tǒng) 3D 堆疊提高了 15 倍，CPU 性能提高了 50-80%。

　　3D IC 設(shè)計復(fù)雜性通過 3Dblox 解決，這是一種使用通用語言實現(xiàn) EDA 工具互操作性的方法，涵蓋物理架構(gòu)和邏輯連接。四大 EDA 供應(yīng)商（Synopsys、Cadence、Siemens、Ansys）通過完成一系列五個測試用例，為 3Dblox 方法準(zhǔn)備了工具：CoWoS-S、InFO-3D、SoIC、CoWoS-L 1、CoWoS-L 2。

　　臺積電通過與以下領(lǐng)域的供應(yīng)商合作創(chuàng)建了 3DFabric 聯(lián)盟：IP、EDA、設(shè)計中心聯(lián)盟 (DCA)、云、價值鏈聯(lián)盟 (VCA)、內(nèi)存、OSAT、基板、測試。對于內(nèi)存集成，臺積電與美光、三星內(nèi)存和 SK 海力士合作，以實現(xiàn) CoWoS 和 HBM 集成。EDA測試廠商包括：Cadence、西門子EDA和Synopsys。IC測試供應(yīng)商包括：Advantest和Teradyne。

　　AMD、AWS 和 NVIDIA 等半導(dǎo)體設(shè)計公司正在使用 3DFabric 聯(lián)盟，隨著 2D、2.5D 和 3D 封裝的使用吸引了更多的產(chǎn)品創(chuàng)意，這個數(shù)字只會隨著時間的推移而增加。臺積電擁有世界一流的DTCO工程團隊，國際競爭足以讓他們不斷創(chuàng)新新業(yè)務(wù)。數(shù)字、模擬和汽車細分市場將受益于臺積電在 FinFlex 上宣布的技術(shù)路線圖選擇。3D 芯片設(shè)計得到 3DFabric 聯(lián)盟中聚集的團隊合作的支持。

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