为什么芯片制造商投资数十亿美元发展“先进封装”?

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三星4月15日(周一)宣布对美国得克萨斯州芯片制造投资400亿美元,其中包括建设“先进芯片封装”工厂的计划,这将使美国距离在本土制造尖端人工智能(AI)芯片又近了一大步。

三星的举动被视为拜登政府的重大胜利,美国政府与中国同时认识到先进封装在半导体供应链中日益重要的作用。

全球领先的芯片制造商正在投入数十亿美元来扩展和改进先进封装技术,这些技术对于提高半导体性能至关重要。

什么是先进芯片封装?

随着芯片的小型化进程开始达到其物理极限,芯片制造商被迫寻找替代方法来不断提高性能,以满足生成式人工智能等技术日益密集的计算需求。

通过将多个芯片(无论是同类还是不同种类)更紧密地集成或“封装”在一起,芯片制造商可以提高速度和效率,同时规避小型化的限制。

先进封装的例子有哪些?

高带宽存储(HBM)

英伟达图形处理单元(GPU)等高性能芯片需要大量内存来存储计算结果。即使是最先进的存储芯片本身也不能提供足够的“带宽”来存储计算并根据需要来回发送。

高带宽存储芯片是通过堆叠DRAM存储芯片并用穿过每层小孔的细线连接它们来生产的,就像一个多层图书馆,配有电梯,可以在楼层之间快速运输大量书籍以进行收集和交付。

基板上晶圆芯片(CoWoS)

以英伟达的H100“Hopper”AI芯片为例,该芯片将六颗HBM芯片与英伟达设计、台积电生产的GPU集成在一起,采用台积电的CoWoS先进封装技术。

GPU和HBM芯片都位于称为“中介层”的硅接口上,它们通过该接口相互通信。然后中介层位于基层或“基板”上。台积电的竞争对手三星和英特尔对相同技术的类似版本有各自的名称。

它有时被称为“2.5D”先进封装技术,因为当HBM中的DRAM层堆叠时,HBM芯片和GPU并排放置。三星在得克萨斯州的新工厂将能够进行2.5D和HBM封装,而韩国芯片制造商SK海力士正在印第安纳州建设HBM工厂。

在这种情况下,“3D封装”将涉及HBM和GPU组件的垂直集成,但工程师尚未弄清楚如何保持此类系统充分冷却和供电。

集成扇出型封装(INFO)

当芯片在严格的物理限制内运行时,先进的封装也很有用。智能手机中使用的芯片就是一个很好的例子,因为逻辑芯片不能变得更小,而智能手机也不能变得更大。

2017年,台积电与苹果公司合作推出了一种名为集成扇出(Integrated Fan-Out)的新型先进封装技术。这涉及通过新的高密度“重新分布层”将逻辑和存储芯片更紧密地集成在一起,从而提高性能,同时消除对更厚基础层的需求。

对行业有何影响?

先进封装需要行业专家之间加强合作。

例如,没有存储芯片生产背景的台积电,与没有逻辑芯片生产背景的HBM市场领导者SK海力士在英伟达的AI芯片上密切合作。

与此同时,三星电子和英特尔在逻辑、存储以及先进封装方面都拥有经验,这意味着它们将有可能为客户提供跨三个领域的集成服务。

先进封装重要性的增长也为二线芯片制造商和传统封装公司提供了机会,它们都在投资自己的先进封装能力,以在5000亿美元的半导体市场中获得更大的份额。

(校对/孙乐)

责编: 赵月
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