前沿导读
台积电的前研发副总裁蒋尚义,在访谈中谈论起了当初台积电的封装技术,据蒋尚义表示,台积电曾经开发出来的CoWoS封装技术,在全球范围内找不到几个愿意使用该技术的厂商。而第一个敢用CoWoS技术的厂商,竟然是华为,这是蒋尚义没有料到的。
芯片的封装技术
所谓的芯片封装,用行业内的话术来说就是“覆晶”技术。
封装技术分为传统封装和晶圆级封装技术:
传统封装技术,通常是将晶圆切割成单个芯片后,再进行封装。
而晶圆级封装技术,则是先对晶圆上的众多芯片进行封装和测试,最后再切割成单颗产品。
传统封装技术在先进芯片领域已经被淘汰了,我们主要来说晶圆级封装技术。
集成电路板上面有多个芯片,每一颗芯片都有特定的功能,将几颗芯片串联起来,让彼此之间进行互相反应,就会形成一个完善的控制系统。系统性能的强弱,并不能单独看其中某一颗芯片的情况,而是需要看系统中所有芯片在一起运作的性能表现。
在芯片内部,晶体管之间的信号传输距离都是以纳米作为单位来计算的,那么芯片整体的运算速度会非常快。但是如果晶体管之间的传输距离以毫米、厘米进行计算,那么这个传输速度会大打折扣,性能也就相当羸弱。
如果各芯片之间的信号传递时间太长,系统的整体运算速度会大幅度下降,从而浪费功耗,造成系统电流的浪费。想要解决这个问题,就需要缩短系统中关键芯片之间的传输距离。而解决这个问题的关键技术,就是芯片的封装。
举个例子,CPU在运算的时候,需要随时调取RAM内部的信息数据,如果CPU和RAM之间的距离太大,那么这个抓取信息的传递速度会下降,造成CPU运行缓慢。
手机的芯片之所以被称为SOC,是因为手机芯片将所有的运行零部件都集成到一块单晶芯片上面,这个技术难度很大,以至于苹果到现在都没有SOC芯片,内部无法集成通讯基带,只能通过外挂的方式“曲线救国”。
在台积电的技术没有发展起来之前,全球的系统级芯片封装技术的老大是英特尔,其次是三星。以至于三星电子在很长一段时间内,直接霸占了苹果手机的芯片供应。虽然苹果很不情愿跟三星合作,但是苹果没得选。
台积电的CoWoS技术
由于台积电早期注重晶圆代工,所以台积电的封装基本上属于一贫如洗的程度。
张忠谋意识到了封装技术的重要性,他将台积电的封装技术研发交给了蒋尚义,然后蒋尚义又将这个项目交给了工程师余振华。
英特尔和三星,在晶圆级封装领域的专利上面,排名前三。而当时的台积电,连前10都进不去。
为了支持余振华的技术研发,张忠谋分配给了余振华400多名工程师。这些工程师,都是台积电从日月光、矽品、力成等专业的封测厂商当中花重金挖过来的。
经过了两年时间的研发,余振华团队开发出了CoWoS封装技术。
所谓CoWoS封装技术,指的是该技术可以将多个处理器、混搭处理器和存储器,连接至硅中介转接层。该中介转接层利用硅通孔技术连接上下表面的金属布线,然后再将CoW芯片封装在同一块基板上面。
这种新技术可以缩小芯片的体积,将系统能效提升3倍到6倍,可以明显改善芯片之间的传输带宽,从而大幅度降低功耗。
CoWoS封装技术的出现,打破了以往芯片产业上下游的合作模式。
该技术必须要靠芯片制造前后端各个工艺之间的无缝整合,才能完成。一旦台积电将这种技术进行推广,必然会对单独的封装厂商进行冲击。
当时全球封装技术的老大是日月光集团,日月光集团对台积电的技术不怎么看好,还说台积电的CoWoS只限于特定的少部分产品使用。
矽品的高管反应最大,他觉得余振华这是在砸这些封装厂商的饭碗,公开炮轰余振华不尊重行业规则。
在台积电正式推动CoWoS技术的过程中,全球第一家引入这个技术的企业是华为海思。
台积电的封装技术需要用到大型硅基板,而且可以减少芯片70%的厚度,生产成本极高,一般的消费级企业根本没兴趣。
海思是华为旗下的唯一芯片企业,背靠华为的通讯业务,所以海思在研发上面不惜一切成本引进先进技术。
在台积电推出第一代基于fin FET技术打造的16nm制程工艺时,华为海思是行业内第一家找台积电合作的厂商。
2014年,华为海思与台积电合作,推出了将3个16nm芯片通过CoWoS封装到一起,具有网络处理功能的单芯片。由于该芯片的制造成本非常高,华为将这款芯片应用在了网络控制领域,并没有用在消费电子领域。该芯片系列在后来,被华为统一命名为鲲鹏。
为了降低成本,在手机芯片领域推广封装技术。台积电的余振华带领技术团队简化了CoWoS的结构,推出了一个精简版的InFO封装技术,并且让制造成本下探到了一个可以让各厂商接受的程度。
苹果的iPhone 7系列,是全球第一个采用了台积电InFO封装技术的产品。InFO不需要基板,而且可以将手机的芯片厚度减少30%,虽然技术水平不如CoWoS,但是胜在成本更低,可以成功的应用在消费级电子产品当中。
随着国际ai领域迎来的技术革命,台积电的CoWoS封装技术迎来的巅峰。
英伟达采用台积电的CoWoS技术,开发出了GP100的图形芯片,拉开了人工智能领域的序幕。
阿尔法狗(AIphaGo)的背后,是谷歌人工智能芯片TPU2.0在进行系统计算,该芯片采用的就是台积电的CoWoS封装技术。并且搭载该芯片的阿尔法狗,在世界围棋大赛当中,打败了来自于中国的世界围棋冠军柯洁。
对于那些在人工智能领域发展控制芯片的企业来说,成本因素不是它们需要考虑的,它们要考虑的,就是如何继续提升ai芯片的运算能力。