【SEMI 異質整合系列】穿戴式與行動裝置的下一個十年:異質整合技術

半導體產業

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未來隨著運算需求成長與使用場景的複雜化,對晶片的功能都將更加嚴苛,但晶體微縮的製程已經逐漸逼近物理瓶頸,全球晶圓代工廠轉向多維度的製程技術,講求如何將多個異質運算單元(晶片)整合至單一晶片,讓系統單晶片的體積更小、功能更強 ── 這項「異質整合技術(Heterogeneous Integration)」將是未來十年的發展主流。

異質整合技術將 IC 設計、製造及封裝的層次從2.5D提升到3D,能夠在系統單晶片(SoC)整合更多的異質元件,使單一顆晶片具備更多的功能,由於縮短運算單元彼此之間的物理距離,晶片效能與功耗也能因此提升,但考量到短期內製程良率不高,成本較為昂貴,初期只會應用在利潤較高的核心產品,長期來看由於其具備提高效能、縮小體積與提升電池續航力等優點,未來將被大量應用在終端消費產品。

行動裝置尋求下個世代的突破

對於成長已經邁入停滯的智慧型手機產業,開發商正透過 AI 技術在軟體層面進行創新: AR實境 、計算攝影、影像處理、人臉辨識等等的應用呈現爆發式成長,為了捕捉更多的場景數據讓軟體進行推論,除了核心的系統單晶片(SoC),智慧型手機機構設計上必須在有限的體積塞入更多的感測器,例如鏡頭、距離、壓力、方向感測器以及其他感測晶片。

然而傳統的 SoC 晶片處理 AI 演算的效能低落,為了提升裝置上的運算速度,獨立 AI 運算單元已經成為趨勢,上述額外元件所產生的高負載運算還需要搭配充足的記憶體頻寬才能順暢運作── 行動裝置持續追求輕薄的趨勢之下,同時加入更複雜的元件並克服體積限制,對晶片設計構成很大的挑戰。

針對上述的問題,「異質整合」提供了潛在的解決方案,擺脫過去只能部分堆疊的 2.5D 架構, 3D 系統級封裝技術將整合處理器、記憶體、類比晶片、電源管理、 MEMS 感測器以及數據機晶片,將多項的異質運算單元(Die)疊合成單一晶片,創造更多 IC 設計的可能性,朝「單獨系統(Stand-Alone Systems)」的理想更靠近一步,意思是單晶片即可單獨運作所有所需的功能,不須仰賴外部的元件。

異質整合不只停留在概念階段, 5G 世代推動筆記型個人電腦的「常時連網(Always Connected)」概念成為顯學,為了達到更好的連線效能與更低的待機耗電量,以支援未來高端用戶追求低延遲飆速連網的各種沉浸式體驗,傳統的 2.5 D 晶片佈局已經無法滿足。

為此英特爾(Intel)於 2019 年推出 Foveros 架構,標榜 3D 系統級封裝,根據架構圖, Intel 在底部的封裝層上方透過主動式中介層(Active Interposer)連接大小核處理器與數據機晶片,並透過 PoP (Package on Package )技術再往上加一層記憶體,創造出堆疊式的 3D 封裝架構,未來將有更多的整合可能性。

未來除了傳統的處理器、影像處理器,單一晶片還預計整合 5G 數據機、 AI 推論加速晶片、記憶體以及多項感測器等等的異質元件,為 AI 應用、 5G 以及邊緣運算(Edge Computing)實現更高的效能和功能性,將使筆電上網的發展正式邁入 5 G 時代。

醫療及穿戴式裝置探索新的可能性

穿戴式裝置早已普及於醫療產業,用來輔助偵測病患的各項健康數據,例如心跳、體溫以及血氧濃度等生理現象。隨著智慧醫療發展,醫療用的穿戴式儀器正從類比訊號偵測朝向數位化發展,原理是透過感應裝置監測全身的健康狀況,將類比資料轉換為數位資料,傳送到裝置進行記錄跟分析,除了協助醫師進行診斷,平日累積的數據也能提供比到醫院進行一次性檢驗準確度更高的參考基礎。

舉例來說,Apple Watch 具備心跳偵測、心電圖及摔倒偵測功能,加上蘋果最新推出的血糖偵測器,穿戴式裝置儼然成為小型的醫療數據中心,醫療產業將是穿戴式裝置的下一個潛在市場。

醫療用數位穿戴式裝置除了運算元件,還要加裝眾多的感測器以偵測人體數據,不可避免增加體積與重量,然而穿戴式裝置必須密切貼合人體皮膚,舒適感也非常重要,另外也要考慮到長時間配戴的使用需求,功能跟續航力如何取捨一直是難以克服的問題。

同樣地,「異質整合技術」可以將多項 MEMS 感測器直接整合進系統單晶片中,賦予單一晶片更多的感測功能,縮小所需的晶片體積,讓穿戴式更輕、更薄,即使使用者長時間穿戴也不會感覺到負擔── 多晶片整合至單一晶片的構想下,未來系統單晶片不只是體積更小且功能更多,功耗上的改進也有助於提升裝置續航力,預期將為萬物聯網時代下更多元應用環境的挑戰提供完美的解方。

有感於異質整合已成為半導體產業持續維持成長動能的引擎之一,全球第二大國際半導體展SEMICON Taiwan今年將從先進封裝、測試、化合物半導體、矽光子等角度切入,規劃異質整合主題展區及舉辦多元活動,並同期舉辦「SiP Global Summit系統級封測國際高峰論壇」、「SMC Taiwan策略材料高峰論壇」,分別探討異質整合在先進封裝技術及創新材料上的發展機會與挑戰。想深入了解異質整合技術未來的技術發展與應用市場,現在起可免費報名9月18至20日的SEMICON Taiwan,到展場一窺究竟!

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