"TSMC и Intel борются за технологию упаковки: от CoWoS до 3D"

«Дело не в нехватке чипов искусственного интеллекта, а в нехватке наших возможностей CoWoS», — ответил председатель TSMC Марк Лю во время интервью в сентябре прошлого года, выведя эту технологию, которую TSMC тихо развивала более десяти лет, в мировое внимание. 

Согласно отчету TechNews, спрос на оборудование, вызванный генеративным искусственным интеллектом, также привел к тому, что «продвинутая упаковка» стала не только горячим ключевым словом, которое преследуют глобальные инвесторы, но и заметной чертой полупроводниковой промышленности. 

От литейных заводов и производителей памяти до OAST — все активно участвуют в исследованиях и расширении мощностей передовых упаковочных технологий. TSMC, ведущая сила на рынке современной упаковки, неоднократно подчеркивала свои усилия по расширению мощностей во время своего отчета о прибылях и убытках, включая расширение мощностей. в Чжунани и Синьчжу и даже возможность строительства современных упаковочных предприятий в Цзяи. Стратегические шаги Intel также подчеркивают ее упор на разработку современной упаковки. Новый завод Intel, построенный в Пенанге, Малайзия, в 2023 году, нацелен на создание передовых мощностей по производству упаковки. Ведущая компания по упаковке и тестированию, ASE Technology Holding, также активно участвовала в конкурсе на создание современной упаковки. Помимо своей дочерней компании Siliconware Precision Industries (SPIL), которая уже является поставщиком внутренней упаковки CoWoS, холдинг ASE Technology также расширяет мощности по производству современной упаковки на своем предприятии в Гаосюне. 

Производители памяти также активно наращивают свои мощности по производству современной упаковки. . SK Hynix, которая эксклюзивно поставляет HBM для чипов NVIDIA AI, недавно объявила о планах инвестировать 1 миллиард долларов США в разработку передовой упаковки. Они рассматривают усовершенствованную упаковку как «будущую цель развития полупроводников на ближайшие 50 лет». 

Передовая упаковка: более десяти лет развития На самом деле, усовершенствованная упаковка не является новой концепцией. В истории упаковочных технологий 2000 год, несомненно, стал поворотным моментом. 

С этого года технология упаковки перешла от традиционных методов сварки проводов и флип-чипов к «упаковке на уровне пластины», где большая часть или все процессы упаковки и тестирования проводятся на самой пластине. 2,5D-упаковка, которая привлекла значительное внимание после 2023, фактически появился еще в 2010 году. 

Однако из-за проблем с ценами число производителей, принявших эту технологию, было относительно ограниченным, с упором на высокопроизводительные вычислительные чипы. Чан Шан-И, директор по стратегии Foxconn Semiconductor, вспомнил первоначальное отсутствие интереса к технологии CoWoS, что даже привело к тому, что внутри компании (TSMC) его сочли «шуткой» за предложение усовершенствованной упаковки. Он также сообщил, что первой компанией, желающей внедрить дорогостоящую технологию CoWoS, на самом деле была Huawei. 

 Эволюция технологии упаковки полупроводников, составленная McKinsey, «Ускоренная технологическая эволюция после 2000 года» (Источник: McKinsey) По сравнению с технологией 2D-упаковки, 2.5D-упаковка предполагает размещение промежуточного слоя между чипом и подложкой ИС и укладку различных чипов параллельно. CoWoS от TSMC стал синонимом 2.5D-корпусов, где кремниевый промежуточный слой вставляется между чипом и подложкой SiP, а металлические слои соединяются с помощью сквозных кремниевых переходов (TSV), чтобы преодолеть ограничения плотности подложек SiP, которые ранее ограничивали количество чипов. Несмотря на доминирование TSMC, нельзя недооценивать Intel с ее обширным техническим опытом в области корпусирования процессоров. На поле битвы за 2.5D-упаковку Intel использует технологию EMIB в качестве своей стратегии. В отличие от CoWoS, EMIB не использует кремниевый промежуточный слой. Вместо этого его ключевой особенностью является «силиконовый мост», скрытый внутри упаковочной подложки, который соединяет голые кристаллы. Intel считает, что EMIB предлагает ценовые преимущества по сравнению с решениями, использующими большие кремниевые промежуточные слои. 

В последние годы компания Samsung, которая активно развивает рынок производства полупроводников, также вышла на арену 2,5D-упаковки. Их запатентованная технология I-Cube традиционно ориентирована на применение в чипах высокопроизводительных вычислений (HPC). Когда Samsung представила I-Cube4 в 2021 году, она сделала упор на интеграцию нескольких логических кристаллов и HBM, размещенных на кремниевом промежуточном слое, что обеспечивает гетерогенную интеграцию в один чип. По мере того, как закон Мура приближается к своим пределам, а огромные вычислительные потребности, вызванные генеративным искусственным интеллектом, продолжаются. В сочетании с тенденцией к более легким, тонким и меньшим по размеру конечным продуктам чипы неизбежно эволюционируют в сторону большего количества транзисторов, большей вычислительной мощности и более низкой производительности энергопотребления. Таким образом, переход технологии упаковки с 2,5D на 3D, несомненно, является неизбежное развитие. 

Разница между упаковкой 3D и 2,5D заключается в методе укладки. В 2,5D-упаковке чипы укладываются параллельно на промежуточном слое, а в 3D-упаковке чипы укладываются вертикально трехмерным образом. Преимущество 3D-упаковки заключается в ее способности создавать больше места для транзисторов внутри чипа за счет укладки друг на друга. TSMC, Intel и Samsung участвуют в гонках за технологию 3D-упаковки. Позиция TSMC в технологии 3D IC неоспорима. В технологии SoIC используется метод соединения пластин между пластинами. SoIC объединяет однородные и гетерогенные небольшие кристаллы в один чип меньшего размера и более тонкого профиля. Его можно интегрировать в 2.5D CoWoS или InFO. С внешней точки зрения SoIC напоминает универсальный чип SoC, но неоднородно интегрирует различные функции. Компоновка Intel в 3D-упаковке основана на технологии 3D Foveros. Конструктивно нижний слой представляет собой упаковочную подложку, а нижняя пластина, расположенная сверху, служит промежуточным слоем. Внутри этого промежуточного уровня присутствуют многочисленные TSV (сквозные кремниевые переходы), облегчающие соединения между верхними чипами, модулями и другими частями системы для достижения целей передачи. 

Технология упаковки Samsung X-Cube 3D использует процессы TSV. В настоящее время тестовые чипы X-Cube от Samsung могут размещать уровень SRAM поверх логического уровня, соединенных между собой через TSV, используя 7-нм техпроцесс EUV. Комплексная экосистемная стратегия TSMC. В настоящее время доминирует на рынке передовых упаковочных материалов благодаря приобретению крупных контрактов на производство. Чипы NVIDIA AI, TSMC не только продолжает разрабатывать более совершенные технологии упаковки, но также активно продвигает свою платформу 3D Fabric. Помимо включения трех ключевых технологий упаковки CoWoS, InFo и SoIC, эта платформа превратилась в отраслевой альянс. В нем участвуют поставщики EDA, IP, DCA/VCA, памяти, упаковки и тестирования, а также поставщики подложек и средств тестирования. Цель состоит в том, чтобы создать полную экосистему 3D Fabric, укрепить инновации и повысить готовность клиентов к внедрению. Этот альянс привлек активное участие крупных игроков в цепочке поставок полупроводников. Членами организации являются даже компании, традиционно считающиеся конкурентами в секторе упаковки и тестирования, такие как Amkor, ASE Technology Holding и Siliconware Precision Industries (SPIL). Комплексная цепочка поставок стала для TSMC значительным преимуществом в предоставлении передовых услуг по контрактному производству упаковки. 

 Члены 3D Fabric Alliance TSMC, включая крупных игроков, от EDA до компаний по упаковке и тестированию. 

Для сравнения, Intel, несмотря на свой солидный технологический опыт, накопленный в течение многих лет, и предложение самостоятельно предоставлять услуги по производству или тестированию пластин, сталкивается с невыгодным положением в расширении своей доли на рынке передовых упаковочных материалов из-за отсутствия опыта в рынок литейного производства. 

С другой стороны, Samsung, по сравнению с TSMC, ограничена проблемами с производительностью в передовых процессах. Это ограничение заставляет компании-разработчики микросхем отдавать приоритет литейным производствам с более стабильной производительностью при рассмотрении вопроса об аутсорсинге комплексных производственных услуг.