自2018年4月始，臺積電已在眾多技術(shù)論壇或研討會中揭露創(chuàng)新的SoIC技術(shù)，這個被譽(yù)為再度狠甩三星在后的秘密武器，究竟是如何厲害？
臺積電首度對外界公布創(chuàng)新的系統(tǒng)整合單芯片（SoIC）多芯片3D堆疊技術(shù)，是在2018年4月的美國加州圣塔克拉拉（Santa Clara）第二十四屆年度技術(shù)研討會上。
推進(jìn)摩爾定律臺積電力推SoIC 3D封裝技術(shù)
隨著先進(jìn)納米制程已逼近物理極限，摩爾定律發(fā)展已難以為繼，無法再靠縮小線寬同時滿足性能、功耗、面積及訊號傳輸速度等要求；再加上封裝技術(shù)難以跟上先進(jìn)制程的發(fā)展進(jìn)程，因此三星、臺積電、英特爾等晶圓代工巨擘紛紛跨足封裝領(lǐng)域，要借重先進(jìn)的封裝技術(shù)實現(xiàn)更高性能、更低耗電量、更為小體積、訊號傳輸速度更快的產(chǎn)品。
甚至，在逐步進(jìn)入后摩爾定律時代后，晶圓代工大廠的發(fā)展重心，也逐漸從過去追求更先進(jìn)納米制程，轉(zhuǎn)向封裝技術(shù)的創(chuàng)新。而，SoIC就在這樣的前提之下誕生了。
若以臺積電于2009年正式進(jìn)軍封裝領(lǐng)域估算，SoIC是臺積電耗費十年才磨出的寶劍，被譽(yù)為可再次把三星狠狠甩在后頭、實現(xiàn)3D IC的高階封裝技術(shù)。
晶圓對晶圓的3D IC技術(shù)
根據(jù)臺積電在第二十四屆年度技術(shù)研討會中的說明，SoIC是一種創(chuàng)新的多芯片堆疊技術(shù)，是一種晶圓對晶圓（Wafer-on-wafer）的鍵合（Bonding）技術(shù)，這是一種3D IC制程技術(shù)，可以讓臺積電具備直接為客戶生產(chǎn)3D IC的能力。
圖二: 臺積SoIC設(shè)計架構(gòu)示意。(source: vlsisymposium.org, 制圖:CTIMES)
讓外界大感驚艷的是，SoIC技術(shù)是采用硅穿孔（TSV）技術(shù)，可以達(dá)到無凸起的鍵合結(jié)構(gòu)，可以把很多不同性質(zhì)的臨近芯片整合在一起，而且當(dāng)中最關(guān)鍵、最神秘之處，就在于接合的材料，號稱是價值高達(dá)十億美元的機(jī)密材料，因此能直接透過微小的孔隙溝通多層的芯片，達(dá)成在相同的體積增加多倍以上的性能，簡言之，可以持續(xù)維持摩爾定律的優(yōu)勢。
圖三: SoIC的微芯片平面圖。(source: vlsisymposium.org)
據(jù)了解，SoIC是基于臺積電的CoWoS（Chip on wafer on Substrate）與多晶圓堆疊（WoW）封裝技術(shù)開發(fā)的新一代創(chuàng)新封裝技術(shù)，未來將應(yīng)用于十納米及以下的先進(jìn)制程進(jìn)行晶圓級的鍵合技術(shù)，被視為進(jìn)一步強(qiáng)化臺積電先進(jìn)納米制程競爭力的利器。2018年10月，臺積電在第三季法說會上，已針對萬眾矚目的SoIC技術(shù)給出明確量產(chǎn)時間，預(yù)期2020年開始挹注臺積電的營收貢獻(xiàn)，至2021年將會大量生產(chǎn)，挹注臺積電更加顯著的營收貢獻(xiàn)。
六月，臺積電赴日本參加VLSI技術(shù)及電路研討會發(fā)表技術(shù)論文時，也針對SoIC技術(shù)揭露論文，論文中表示SoIC解決方案將不同尺寸、制程技術(shù)及材料的裸晶堆疊在一起。相較于傳統(tǒng)使用微凸塊的三維積體電路解決方案，臺積電的SoIC的凸塊密度與速度高出數(shù)倍，同時大幅減少功耗。此外，SoIC能夠利用臺積電的InFO或CoWoS的后端先進(jìn)封裝至技術(shù)來整合其他芯片，打造強(qiáng)大的3D×3D系統(tǒng)級解決方案。
外界咸認(rèn)，從臺積電最初提出的2.5版CoWoS技術(shù)，至獨吃蘋果的武器InFO（整合型扇型封裝）技術(shù)，下一個稱霸晶圓代工產(chǎn)業(yè)的，就是SoIC技術(shù)。
攤開臺積電公布的2019年第一季財報，10納米及以下納米制程的營收貢獻(xiàn)，已大大超越16納米制程的營收貢獻(xiàn)，凸顯出未來十納米及以下先進(jìn)制程已勢不可當(dāng)。
也因此，2019年，電子設(shè)計自動化（EDA）大廠，如益華電腦（Cadence）、明導(dǎo)國際（Mentor）、ANSYS皆已相繼推出支援臺積電SoIC的解決方案，并已通過臺積電認(rèn)證，準(zhǔn)備迎接SoIC輝煌時代的來臨。
英特爾「Foveros」3D封裝技術(shù)打造首款異質(zhì)處理器
英特爾（Intel）在今年的COMPUTEX終于正式宣布，其10納米的處理器「Ice Lake」開始量產(chǎn)，但是另一個10納米產(chǎn)品「Lakefiled」卻缺席了。
雖然同樣使用10納米制程，但「Lakefiled」是一個更高階的產(chǎn)品，同時也將是是英特爾首款使用3D封裝技術(shù)的異質(zhì)整合處理器。
圖四: 英特爾Foveros的堆疊解析圖（source: intel）
根據(jù)英特爾發(fā)布的資料，「Lakefield」處理器，不僅在單一芯片中使用了一個10nm FinFET制程的「Sunny Cove」架構(gòu)主核心，另外還配置了4個也以10nm FinFET制程生產(chǎn)的「Tremont」架構(gòu)的小核心。此外，還內(nèi)建LP-DDR4記憶體控制器、L2和L3快取記憶體，以及一個11代的GPU。
而能夠?qū)⑦@么多的處理核心和運算單元打包成一個單芯片，且整體體積僅有12 x 12mm，所仰賴的就是「Foveros」3D封裝技術(shù)。
圖五: 英特爾Foveros的區(qū)塊與架構(gòu)原理（source: intel）
在年初的架構(gòu)日上，英特爾也特別針對「Foveros」技術(shù)做說明。英特爾指出，不同于過去的3D芯片堆疊技術(shù)，F(xiàn)overos能做到邏輯芯片對邏輯芯片的直接貼合。
英特爾表示，F(xiàn)overos的問世，可以為裝置與系統(tǒng)帶來更高性能、高密度、低功耗的處理芯片技術(shù)。Foveros可以超越目前被動中介層（interposers）的芯片堆疊技術(shù)，同時首次把記憶體堆疊到如CPU、繪圖芯片和AI處理器等，這類高性能邏輯芯片之上。
此外，英特爾也強(qiáng)調(diào)，新技術(shù)將提供卓越的設(shè)計彈性，尤其當(dāng)開發(fā)者想在新的裝置外型中，置入不同類型記憶體和I/O元素的混合IP區(qū)塊。它能將產(chǎn)品分拆成更小的「微芯片（chiplets）」結(jié)構(gòu)，讓I/O、SRAM和電源傳遞電路可以在配建在底層的裸晶上，接著高性能的邏輯微芯片則可進(jìn)一步堆疊在其上。
英特爾甚至強(qiáng)調(diào)，F(xiàn)overos技術(shù)的問世是該公司在3D封裝上的一大進(jìn)展，是繼EMIB（Embedded Multi-die Interconnect Bridge）2D封裝技術(shù)之后的一大突破。
TSV與μbumps技術(shù)是量產(chǎn)關(guān)鍵
而從英特爾所揭露的技術(shù)資料可看出，F(xiàn)overos本身就是一種3D IC技術(shù)，透過硅穿孔（Through-Silicon Via, TSV）技術(shù)與微凸塊（micro-bumps）搭配，把不同的邏輯芯片堆疊起來。
其架構(gòu)概念就是在一塊基礎(chǔ)的運算微芯片（compute chiplet）上，以TSV加上微凸塊的方式，堆疊其他的運算晶粒（die）和微芯片（chiplets），例如GPU和記憶體，甚至是RF元件等，最后再把整個結(jié)構(gòu)打包封裝。
而英特爾目前所使用的制程已達(dá)到10納米，預(yù)計也可以順利推進(jìn)至7納米，也此透過此3D封裝技術(shù)，將可在單一芯片中達(dá)成絕佳的運算效能，并持續(xù)推進(jìn)摩爾定律。
英特爾更特別把此技術(shù)稱為「臉貼臉（Face-to-Face）」的封裝，強(qiáng)調(diào)它芯片對芯片封裝的特點。而要達(dá)成此技術(shù)，TSV與微凸塊（μbumps）的先進(jìn)制程技術(shù)就是關(guān)鍵，尤其是凸塊接點的間距（pitch）僅有約36微米（micron），如何透過優(yōu)異的打線流程來達(dá)成，就非常考驗英特爾的生產(chǎn)技術(shù)了。
圖六: Foveros的TSV與微凸塊疊合示意（source: intel）
但是英特爾也指出，F(xiàn)overos技術(shù)仍存在三個挑戰(zhàn)，分別為散熱、供電、以及良率。由于多芯片的堆疊，勢必會大幅加大熱源密度；而上下層邏輯芯片的供電性能也會受到挑戰(zhàn)；而如何克服上述的問題，并在合理的成本內(nèi)進(jìn)行量產(chǎn)供貨，則是最后的一道關(guān)卡。
依照英特爾先前發(fā)布的時程，「Lakefield」處理器應(yīng)該會在今年稍晚推出，但由于英特爾沒有在COMPUTEX更新此一產(chǎn)品的進(jìn)度，是否能順利推出仍有待觀察。