小芯片為工程師們提供了半導(dǎo)體領(lǐng)域的新機(jī)遇，但當(dāng)前的鍵合技術(shù)帶來(lái)了許多挑戰(zhàn)。現(xiàn)在，IBM 和 ASMPT 之間的一家合資企業(yè)已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種用于封裝芯片的新型混合鍵合技術(shù)，可以在原子尺度上直接鍵合芯片，從而減小觸點(diǎn)尺寸。

chiplet 面臨哪些挑戰(zhàn)，合資企業(yè)開(kāi)發(fā)了什么，這將如何幫助加速未來(lái)的 chiplet 設(shè)計(jì)？

小芯片面臨哪些挑戰(zhàn)？

隨著半導(dǎo)體制造商努力縮小單個(gè)晶體管的尺寸，研究人員也在不斷尋找提高現(xiàn)代設(shè)備性能的新方法。雖然一種選擇是使通用處理器更強(qiáng)大（具有更快的計(jì)算速度和更大的內(nèi)存大小），但另一種選擇是識(shí)別資源密集型的特定任務(wù)并創(chuàng)建專用硬件加速器。這種硬件加速器的使用已經(jīng)得到廣泛使用，例如處理圖形例程的 GPU、針對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的 AI 加速器，以及允許在不影響性能的情況下進(jìn)行即時(shí)加密的加密加速器。

然而，對(duì)于加速器提供的所有好處，將加速器放置在芯片外部會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)帶寬產(chǎn)生巨大影響，但嘗試將加速器集成到單個(gè)單片半導(dǎo)體中會(huì)減少可用于其他硬件（例如處理器內(nèi)核和內(nèi)存）的總面積。為了解決這一挑戰(zhàn)，工程師們正在轉(zhuǎn)向小芯片，即具有特定用途的小型獨(dú)立半導(dǎo)體芯片，并將這些小芯片連接在一起以創(chuàng)建封裝模塊。

這不僅讓工程師能夠充分利用任何一個(gè)裸片上的硅空間，而且還允許定制，小芯片可以換成不同的設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn) SoC 的完全定制。但是，盡管小芯片帶來(lái)了所有優(yōu)勢(shì)，但工程師們正在努力應(yīng)對(duì)一個(gè)主要缺點(diǎn)：芯片互連。

在 IBM Research 最近的一篇博客文章中，他們深入探討了小芯片的概念以及它們?nèi)绾螏椭朔@些挑戰(zhàn)。小芯片本質(zhì)上是復(fù)雜功能芯片的更小的功能塊，它可以包括獨(dú)立的計(jì)算處理器、圖形單元、AI 加速器和 I/O 功能。通過(guò)打破片上系統(tǒng)模型，chiplet 可以帶來(lái)更節(jié)能的系統(tǒng)，縮短系統(tǒng)開(kāi)發(fā)周期，并以比現(xiàn)在更低的成本構(gòu)建專用計(jì)算機(jī)。

一種解決方案是將小芯片倒裝到類似于 PCB 的基板上，并將裸片焊接到基板上。然而，由于目前焊接技術(shù)的限制，芯片上的焊盤尺寸必須大于幾十微米，這就限制了互連密度。同時(shí)，焊料可能難以控制，導(dǎo)致帶寬受限的低質(zhì)量連接。

IBM 的第二代納米片技術(shù)為在 300 毫米晶圓上生產(chǎn)的 2 納米節(jié)點(diǎn)鋪平了道路。這項(xiàng)技術(shù)允許在指甲蓋大小的空間內(nèi)安裝 500 億個(gè)晶體管。用于 2 納米芯片節(jié)點(diǎn)的納米片晶體管是對(duì)幾個(gè)較小的里程碑的驗(yàn)證，這些里程碑證明了這是可以做到的，也是 IBM 跨學(xué)科專家團(tuán)隊(duì)在材料、光刻、集成、設(shè)備、表征和建模方面的辛勤工作和奉獻(xiàn)精神的驗(yàn)證。

另一種選擇是將裸片安裝到基板上并在裸片之間使用金線。雖然這通常用于芯片鍵合，但它是一種昂貴的工藝，可能不適合定制小芯片設(shè)計(jì)的小批量生產(chǎn)。還有一些實(shí)際限制可能會(huì)使芯片的鍵合線變得復(fù)雜（因?yàn)榻Y(jié)束鍵合線會(huì)留下尾巴，尾巴會(huì)四處移動(dòng)并可能導(dǎo)致短路）。

IBM 和 ASMPT 開(kāi)發(fā)了

一種新的小芯片鍵合技術(shù)

認(rèn)識(shí)到小芯片鍵合面臨的挑戰(zhàn)，IBM和ASMPT的研究人員聯(lián)合開(kāi)發(fā)了一種新的解決方案，可以幫助加速小芯片的部署。這種用于封裝芯片的新型混合鍵合允許芯片在原子尺度上直接鍵合。

IBM 和 ASMPT 在 chiplet bonding 技術(shù)上取得了重大突破。他們開(kāi)發(fā)了一種混合鍵合技術(shù)，可以大大減少兩個(gè)小芯片之間所需的鍵合尺寸。這是通過(guò)在原子尺度上利用銅和氧化物層來(lái)實(shí)現(xiàn)的，鍵本身只有幾個(gè)原子厚。這一發(fā)展可能會(huì)徹底改變小芯片的封裝方式，并加速小芯片技術(shù)的部署。

為了幫助粘合小芯片，該研究機(jī)構(gòu)開(kāi)發(fā)了一種混合技術(shù)，該技術(shù)在原子尺度上利用銅和氧化物層（粘合本身只有幾個(gè)原子厚）。然而，為了使粘合起作用，必須去除兩個(gè)表面之間的所有水分和碎屑，因?yàn)榧词故菐讉€(gè)水分子也足以影響兩個(gè)觸點(diǎn)之間的電氣連續(xù)性。這也適用于可能在兩個(gè)表面之間形成的潛在氣泡，因?yàn)樾馀菘梢院苋菀椎赝ㄟ^(guò)靜電力容納氣體分子。

一張圖片展示了通過(guò)該團(tuán)隊(duì)的方法實(shí)現(xiàn)的兩層之間的微小結(jié)合。

IBM 和 ASMPT 開(kāi)發(fā)的混合鍵合技術(shù)改變了半導(dǎo)體行業(yè)的游戲規(guī)則。通過(guò)將兩個(gè)小芯片之間所需的鍵合尺寸減小到僅幾個(gè)原子，該技術(shù)可以顯著增加兩個(gè)不同芯片之間的連接密度。這反過(guò)來(lái)又會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)帶寬的大幅增加，為半導(dǎo)體產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和性能開(kāi)辟新的可能性。

據(jù)研究人員稱，所開(kāi)發(fā)的方法與現(xiàn)有的不同小芯片之間使用的芯片接合方法極為相似，但規(guī)模要小得多。此外，該合資企業(yè)能夠?qū)崿F(xiàn)與 ASMPT 提供的現(xiàn)有機(jī)械的結(jié)合，這意味著這項(xiàng)新技術(shù)有可能在未來(lái)幾年內(nèi)得到部署。

這種貼片技術(shù)如何改變未來(lái)的技術(shù)？

到目前為止，新開(kāi)發(fā)的鍵合技術(shù)提供的最大優(yōu)勢(shì)是它顯著增加了兩個(gè)不同芯片之間的連接密度，從而增加了數(shù)據(jù)帶寬。然而，增加連接密度也允許工程師將復(fù)雜的設(shè)計(jì)拆分到多個(gè)芯片上，這不僅有助于提高晶圓良率，而且會(huì)顯著增加設(shè)計(jì)的尺寸。反過(guò)來(lái)，這會(huì)增加大型半導(dǎo)體產(chǎn)品的晶體管數(shù)量，從而導(dǎo)致具有更高處理器和內(nèi)存容量的指數(shù)級(jí)更強(qiáng)大的系統(tǒng)。

此外，新的鍵合技術(shù)還有助于加速工程師的半導(dǎo)體定制。雖然仍處于起步階段，但如果 chiplet 行業(yè)與 PCB 行業(yè)有任何相似之處，那么用不了多久，工程師就能夠以近乎相同的方式設(shè)計(jì)自己的 SoC，以提供組裝服務(wù)的定制 PCB。此類服務(wù)將允許工程師創(chuàng)建適合其應(yīng)用的 SoC，為關(guān)鍵任務(wù)集成加速器，同時(shí)利用低能耗選項(xiàng)來(lái)降低功耗。

總體而言，IBM 和 ASMPT 開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品令 chiplet 行業(yè)興奮不已。雖然需要做更多的研究來(lái)確保鍵合技術(shù)的可靠性和可重復(fù)性，但這種用于封裝芯片的新型混合鍵合可能會(huì)徹底改變半導(dǎo)體的設(shè)計(jì)和制造方式。

這種新的混合鍵合技術(shù)的開(kāi)發(fā)證明了IBM和ASMPT的研究人員正在進(jìn)行的創(chuàng)新工作。這是小芯片技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)重要里程碑，對(duì)未來(lái)充滿希望。隨著這項(xiàng)技術(shù)的不斷發(fā)展，我們可以期待在半導(dǎo)體的設(shè)計(jì)和制造方式上看到更多激動(dòng)人心的發(fā)展。

IBM 對(duì)小芯片的研究已經(jīng)顯示出可喜的成果。他們正在根據(jù)行業(yè)小芯片標(biāo)準(zhǔn)的兩個(gè)主要競(jìng)爭(zhēng)者通用小芯片互連快速 (UCIe) 聯(lián)盟和開(kāi)放計(jì)算項(xiàng)目的線束規(guī)范的方向探索小芯片I/O 的各種設(shè)計(jì)。IBM 研究人員參與了這兩項(xiàng)計(jì)劃，在潛在的未來(lái)小芯片封裝解決方案的背景下研究信號(hào)映射策略。這種主動(dòng)方法可確保 IBM 在標(biāo)準(zhǔn)達(dá)成一致后立即準(zhǔn)備好構(gòu)建小芯片。

審核編輯：劉清