近日，有兩家公司同時發(fā)布了在芯片封裝方面的革命性突破：一個是意法半導體宣布將硅通孔技術（TSV）引入MEMS芯片量產(chǎn)，在意法半導體的多片MEMS產(chǎn)品（如智能傳感器、多軸慣性模塊）內(nèi)，硅通孔技術以垂直短線方式取代傳統(tǒng)的芯片互連線方法（無需打線綁定），在尺寸更小的產(chǎn)品內(nèi)實現(xiàn)更高的集成度和性能。另一個則是賽靈思宣布通過堆疊硅片互聯(lián) （SSI） 技術，將四個不同 FPGA 芯片在無源硅中介層上并排互聯(lián)，結合TSV技術與微凸塊工藝，構建了相當于容量達2000萬門ASIC的可編程邏輯器件。雖然同樣是基于TSV技術，前一種垂直堆疊業(yè)界稱為3D封裝；后一種互聯(lián)堆疊稱為2.5D封裝。這兩種不同TSV封裝技術的成功量產(chǎn)商用，將會帶來一種新的游戲規(guī)劃——在摩爾定律越來越難走、新的半導體工藝邁向2xnm越來越昂貴的今天，封裝上的革命已是一種最好的超越對手的方式。



這里要解釋一下為什么一個是3D封裝，一個叫2.5D封裝?！澳壳皹I(yè)界已達成一個觀點，3D是指垂直的堆疊，把多顆主動IC用微凸快（micropum）和硅通孔技術連在一起，微凸快是一種新興技術，中間有非常多的挑戰(zhàn)。比如兩個硅片之間有應力，舉例來說，兩個芯片本身的膨脹系數(shù)有可能不一樣，中間連接的微凸快受到的壓力就很大，一個膨脹快，一個膨脹慢，會產(chǎn)生很大的應力。第二，硅通孔也會有應力存在，會影響周圍晶體管的性能。第三是熱管理的挑戰(zhàn)，如果兩個都是主動的IC，散熱就成為很大的問題。所以對于真正的3D封裝，行業(yè)需要解決上面三個重要挑戰(zhàn)。” 賽靈思公司全球高級副總裁，亞太區(qū)執(zhí)行總裁湯立人解釋，“目前能實現(xiàn)3D封裝的只是Memory芯片。意法半導體的MEMS能實現(xiàn)3D封裝，因為它面臨的發(fā)熱等問題小一些，但對于移動終端來說，器件尺寸會大大減小，這也是一個趨勢。從目前掌握的情況看，要實現(xiàn)不同的復雜邏輯IC之間的真正3D封裝，至少還需要2-3年的時間?！?br>
他接著解釋 2.5D的方式：“我們聯(lián)合TSMC和Amkor等產(chǎn)業(yè)鏈伙伴，采用的2.5D方式，多顆主動IC并排放到被動的介質(zhì)上。因為硅中介層是被動硅片，中間沒有晶體管，不存在TSV應力以及散熱問題。通過多片F(xiàn)PGA的集成，容量可以做到很大，避開新工藝大容量芯片的良率爬坡期，并因為避免了多片F(xiàn)PGA的I / O互連而大幅降低功耗，比如此次我們推出的集成四片F(xiàn)PGA的Virtex-7 2000T功耗小于20W，容量相當于ASIC的2000萬門。如果是4個單片F(xiàn)PGA分開采用，加起來的功耗遠遠大于這個數(shù)，可能會是幾倍的數(shù)值?！?br>
對摩爾定律超越

SSI是傳統(tǒng)的SIP技術向前邁進的革命性的一步，可以說更接近單芯片。SIP堆疊時芯片間互聯(lián)仍需要引線，而TSV結合微凸塊，去掉了引線。這對于FPGA/PLD，甚至CPU等I/O接口繁多的芯片來說是一個重大的突破，功耗大大降低，減小了信號延時，集成復雜度也降低?！斑@是對摩爾定律的一種超越。”湯立人指出，“當采用新一代工藝時，裸片越大良率越低，并且成指數(shù)級下降。一般來說，需要1-2年時間才能將良率提升到較高的水平。然而，如果芯片尺寸小的話，良率就很容易提升。所以，如果能采用幾個小尺寸的FPGA集成在一起，就可在大幅提升容量和性能的情況下，成本也能很好的控制，同時功耗和性能都得到提升。”通過SSI技術，新推出的Virtex-7 2000T FPGA集成68億顆晶體管，相當于2000 萬門的ASIC。對于客戶而言，其重大意義在于如果沒有采用這種新的技術，至少要等演進到下一代工藝技術，才有可能在單個FPGA中實現(xiàn)如此大的晶體管容量。現(xiàn)在不必采用 ASIC，單個FPGA 解決方案就能達到3-5個 FPGA 解決方案的功能，因而可大幅降低成本。“我們將客戶進行原型設計和構建系統(tǒng)仿真器的時間至少可以提前一年?！彼Q。這對于無線通信、光通信核心領域需要大規(guī)模ASIC的廠商來說，是一個很大的利好，因為現(xiàn)在開一顆28nm的ASIC大約需要5000萬美元。除了這些極高端通信應用外，賽靈思亞太區(qū)銷售及市場總監(jiān)張宇清透露：“現(xiàn)在有日本廠商拿它去設計裸眼3D的電視機核心芯片，因為要用到多目觀看時算法會相當復雜，Virtex-7 2000T正好滿足他們的要求。”據(jù)悉現(xiàn)在Virtex-7 2000T已獲得超過2000個設計定單，首批工程樣片也已開始供貨。

“對于用戶來說，堆疊硅片互聯(lián)（SSI）芯片就相當于一個大的FPGA芯片，對用戶完全透明?！睆堄钋褰忉專百愳`思的ISE設計套件可自動將設計分配到 FPGA 芯片中，無需任何用戶干預。如果需要，客戶也可在特定FPGA芯片中進行邏輯布局規(guī)劃。如果用戶沒有要求，軟件工具可讓算法智能地在 FPGA 芯片內(nèi)放置相關邏輯，并遵循芯片間和芯片內(nèi)的連接和時序規(guī)則。支持新型SSI封裝的ISE設計工具已面向早期使用客戶提供。我們還提供了一些設計規(guī)則檢查 (DRC) 和軟件信息，指導用戶如何為新型 FPGA 芯片間的邏輯進行布局布線。”

此次賽靈思聯(lián)手TSMC和Amkor推出2.5D封裝的意義并不僅僅在于多顆FPGA的片內(nèi)堆疊，它可以擴充到更多種復雜芯片的片內(nèi)堆疊，比如FPGA與CPU，或者FPGA與高速收發(fā)器等，它打開了一扇門，讓業(yè)界踏上了可以超越摩爾定律，快速提供大規(guī)模復雜芯片，同時降低功耗與成本的新征途。