隨著臺積電2nm計(jì)劃逐漸明朗，這場關(guān)于先進(jìn)制程的多方混戰(zhàn)似乎提前宣告結(jié)束，但這家半導(dǎo)體巨頭的野心似乎遠(yuǎn)不止于此——在先進(jìn)封裝領(lǐng)域，臺積電也是動(dòng)作頻頻。
近日，據(jù)臺媒《電子時(shí)代》報(bào)道，臺積電深度參與了一項(xiàng)由英偉達(dá)牽頭的研發(fā)項(xiàng)目，該項(xiàng)目將使用臺積電COUPE（緊湊型通用光子引擎）封裝技術(shù)，將多個(gè)AI GPU組合成一塊GPU。
單看項(xiàng)目本身，這似乎與年初爆火的Chiplet概念大同小異，但整篇報(bào)道卻指向了另一項(xiàng)技術(shù)——硅光子（SiPH）。
此外文章還提到，英偉達(dá)和臺積電的研發(fā)項(xiàng)目將持續(xù)數(shù)年時(shí)間，且必須等到硅光子生態(tài)系統(tǒng)成熟才算完成。
為何兩家半導(dǎo)體巨頭同時(shí)看好硅光子賽道？這項(xiàng)新技術(shù)又會給封裝領(lǐng)域帶來哪些改變？
臺積電全新封裝技術(shù)，助力英偉達(dá)
對于臺積電強(qiáng)悍的芯片制造能力，大多數(shù)人都有所耳聞。事實(shí)上，臺積電在封裝領(lǐng)域的布局也毫不遜色。
自2012年起，身為晶圓代工龍頭企業(yè)的臺積電開始在封裝領(lǐng)域布局，其下CoWoS技術(shù)(2.5D)及其后續(xù)衍生版本被應(yīng)用于英偉達(dá)Pascal、Volta系列，AMD Vega以及英特爾Spring Crest等芯片產(chǎn)品。此外，臺積電推出的InFO(2D/2.5D)、SoIC(3D)等封裝技術(shù)，同樣吸引來大量客戶。
為了讓客戶可以根據(jù)需求選擇合適的封裝技術(shù)，臺積電在2020年第26屆技術(shù)研討會上正式將上述封裝技術(shù)整合為“TSMC-3DFabric”平臺。在當(dāng)時(shí)，該平臺就已經(jīng)引入了Chiplet等新概念，為后續(xù)新技術(shù)的推出奠定了基礎(chǔ)。
2021年9月，臺積電在“3DFabric”的基礎(chǔ)上推出了本次合作的“主角”——COUPE（compact universal photonic engine）異構(gòu)集成技術(shù)。
簡單來說，該技術(shù)是將光學(xué)引擎和多種計(jì)算/控制器件集成在同一封裝載板或中間器上，使得組件之間的距離更近，提高帶寬和功率效率，并減少電耦合損耗。
在相同功率下，使用COUPE封裝技術(shù)的芯片在功耗和速度上都將大大改善，足以應(yīng)對網(wǎng)絡(luò)流量的爆炸式增長。
從這里不難看出，COUPE封裝技術(shù)最大的特點(diǎn)就是降低功耗、提升帶寬。
對于GPU而言，算力提升背后的代價(jià)是功耗的增加。以今年英偉達(dá)推出的H100為例，一塊PCIe 5.0版本顯卡功耗達(dá)到了史無前例的700W，相比A100多了整整300W。如果想搭建一套完整的超算體系，那么整個(gè)計(jì)算中心的功耗控制更是難以想象。
在這樣的背景下，既然COUPE封裝技術(shù)可以有效降低GPU功耗，那么英偉達(dá)沒有理由不去嘗試這項(xiàng)新技術(shù)。
硅光技術(shù)，摩爾定律的新解藥？
事實(shí)上，硅光技術(shù)并不是什么新鮮事物，國外早在上個(gè)世紀(jì)80年代就開始有關(guān)硅光技術(shù)的研究，硅光產(chǎn)品也已經(jīng)被多家廠商生產(chǎn)出來并得到應(yīng)用。例如英特爾、格芯，以及英特爾收購的以色列晶圓廠高塔，他們都推出過自己的硅光工藝平臺。
但從整體市場來看，硅光產(chǎn)品一直處在不溫不火的狀態(tài)，這讓很多人誤以為“硅光芯片”是近些年才出現(xiàn)的新鮮事物。
首先，硅光產(chǎn)品需要考慮相對高昂的成本問題。受限于大量光學(xué)器件，一個(gè)硅光器件需要采用各種材料，在缺乏大規(guī)模需求的情況下，硅光產(chǎn)品成為一種“高價(jià)、低性價(jià)比”的產(chǎn)品。同時(shí)，器件的性能與良品率難以得到保障。
其次，硅光芯片在各個(gè)環(huán)節(jié)都缺少標(biāo)準(zhǔn)化方案。例如設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，硅光產(chǎn)品仍需要專用EDA工具（硅光設(shè)計(jì)工具PDA）進(jìn)行設(shè)計(jì)；而在制造與封裝環(huán)節(jié)，類似臺積電、三星等大型晶圓代工廠都沒有提供硅光工藝晶圓代工服務(wù)。即便是已經(jīng)推出COUPE技術(shù)的臺積電，短時(shí)間內(nèi)會專注于封裝方案，很難勻出產(chǎn)能提供給硅光芯片。
最后，從不同廠商的思路來看，它們對于硅光產(chǎn)品的理解也各不相同。
以英偉達(dá)為例，今年3月份的OFC 2022光纖通信會議上，英偉達(dá)首席科學(xué)家Bill Dally展示了一套硅光技術(shù)連接GPU系統(tǒng)的模型。
在這套模型中，英偉達(dá)選擇用DWDM單模光纖替代有限電纜，構(gòu)建了連接GPU的交換機(jī)。在新模型下，雖然外部激光源占用了大量空間，但由于光的特性，因此設(shè)備之間的連接線纜可以更長，最終讓整套模型的體積大大降低。
從產(chǎn)品思路來看，英偉達(dá)將激光信號設(shè)在了產(chǎn)品外部，而不是像其他廠商一樣將激光器嵌入芯片內(nèi)部。這一設(shè)計(jì)想法與硅光子初創(chuàng)公司Ayar Labs十分相似——他們在早期設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)決定將光源本身與光子芯片分開。此前，在接受外媒采訪時(shí)，Ayar Labs總裁兼首席技術(shù)官M(fèi)ark Wade曾指出：“激光器的物理學(xué)與CMOS微電子的物理學(xué)是相互脫節(jié)的；它們不喜歡在高溫下工作，會迅速失去能效，其可靠性也會成指數(shù)級下降。”
圖 | Ayar Labs的光學(xué)I/O芯片最終封裝模塊
今年6月，該公司正式宣布與英偉達(dá)合作開發(fā)具有光學(xué)I/O的下一代AI運(yùn)算基礎(chǔ)架構(gòu)，并且在年初，英偉達(dá)還參與到Ayar Labs的融資中。
從兩家公司的描述來看，此次英偉達(dá)與臺積電的封裝技術(shù)合作，有極大可能與這項(xiàng)新的AI架構(gòu)相關(guān)。
當(dāng)然，英偉達(dá)的產(chǎn)品思路并不代表硅光芯片的最終形態(tài)，其他老牌廠商同樣有各自的產(chǎn)品思路。
例如格芯，在今年3月宣布與博通、思科、Marvell等廠商合作推出新一代硅光平臺GF Fotonix，在12英寸的晶圓上，實(shí)現(xiàn)光子元件、射頻和高性能CMOS的單芯片集成，單根光纖提供高達(dá)每秒半太比特 (Tb/s) 的數(shù)據(jù)速率，這是所有代工廠產(chǎn)品中最快的數(shù)據(jù)速率。
而作為硅光賽道的老大哥，英特爾的產(chǎn)品不僅種類最多，同時(shí)也是少數(shù)擁有IDM能力的半導(dǎo)體企業(yè)。同樣是OFC 2022上，英特爾展示了800Gbps的硅光發(fā)送器、協(xié)同封裝光子（co-packaged optics，CPO）技術(shù)以及與英偉達(dá)不同設(shè)計(jì)的光學(xué)I/O。
圖 | 硅光產(chǎn)業(yè)鏈
在國內(nèi)，同樣有多家企業(yè)瞄準(zhǔn)硅光賽道，例如華為、長瑞光電等老牌企業(yè)，也有曦智科技這樣的初創(chuàng)企業(yè)。
可以說，硅光賽道正進(jìn)入一個(gè)“百花齊放”的階段。
結(jié)語
去年年底，硅光芯片成功入圍阿里巴巴達(dá)摩院2022十大科技趨勢榜單中。達(dá)摩院對此的評價(jià)是：“兼具光子和電子優(yōu)勢，突破摩爾定律限制；預(yù)計(jì)未來三年，硅光芯片將承載絕大部分大型數(shù)據(jù)中心內(nèi)的高速信息傳輸。”
在先進(jìn)制程不斷接近摩爾定律限制的背景下，硅光芯片能再次吸引來市場的目光，主要得益于本身出色的特性。而臺積電COUPE封裝技術(shù)的入局，更是讓硅光芯片大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化變成了可能。
對于臺積電自身來說，入局硅光賽道，一方面是先進(jìn)工藝制造面臨越來越多的挑戰(zhàn)，因此需要從先進(jìn)封裝入手，尋求突破摩爾定律的解藥。恰巧硅光技術(shù)是目前能突破限制的手段之一，因此兩家半導(dǎo)體巨頭的合作顯得水到渠成；
另一方面，市場對先進(jìn)工藝的需求有所減緩，而自動(dòng)駕駛，物聯(lián)網(wǎng)，AI等新興領(lǐng)域正在崛起，此次臺積電便希望借助COUPE封裝技術(shù)，來搶占數(shù)據(jù)中心芯片的市場先機(jī)。
但總體來看，在整體需求偏弱的情況下，硅光賽道仍要需要新的故事帶動(dòng)整個(gè)市場。
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