生活中不論是手機、電腦還是資料中心的伺服器，其中的數據都仰賴半導體晶片進行運算，過去十幾年晶片效能都靠著半導體製程的改進而成長：透過更先進的製造工藝，在相同單位面積的晶片上置入更多的電晶體，藉此在體積不增加的前提下提升晶片的效能與功耗表現。
當半導體先進製程邁入 7奈米(nm) ，展望 5nm ，電晶體大小不斷接近原子的物理體積限制，電子及物理的限制也讓先進製程的持續微縮與升級難度越來越高，而為了要跳脫瓶頸，投資在研發的成本也隨之呈跳躍式的成長，使得晶片的效能陷入成長趨緩的態勢，許多分析師甚至因此認定半導體業不久即將面臨成長瓶頸，過去被認為堅不可摧的「摩爾定律」也即將告終。
事實上，業界早已轉向尋找其他的可能性，解決辦法就是從晶片的布局設計著手，例如將原先單層的晶片朝向多層晶片堆疊發展，也就是廣義上的「3D 晶片設計」，例如英特爾（Intel）便發展出「Foveros 架構」：將 CPU 、 GPU 、記憶體以及連接介面進行三維堆疊，能更有效率利用空間，讓晶片在同樣的效能下，有更小的體積並消耗更少的電力。
另一方面，台積電也在今年完成了首顆 3D 晶片的封裝作業──長遠而言，發展多維度的晶片設計架構已經成為趨勢，全球半導體產業致力尋找後摩爾定律時代的突破口，而除了單純從平面到3D的晶片設計，產業界也正積極從其他方式著手提升晶片效能，其中「異質整合路線圖（Heterogeneous Integration Roadmap）」是最受關注的一項發展方向。
異質整合技術：從同質多晶片到異質多晶片封裝
所謂的「異質整合（Heterogeneous Integration）」，定義上是透過 2.5D 及 3D 等多維度空間設計，將多個不同性質的電子元件整合進單系統級封裝中（System in Package, SiP），不像過去封裝個別的晶粒而成單一功能的IC，當「異質整合」成為產業技術的主流趨勢，封裝範圍已不僅限個別晶粒（Die），還包括微機電系統（MEMS）、被動元件、獨立晶片及多項電子系統，成品為一個具體而微的多功能高階晶片。
舉個例子，高通的驍龍行動處理器（Snapdragon）是一種系統單晶片（System on Chip, SoC），以 2D 或是 2.5 D 的架構整合了多項數位微處理器，像是 CPU 、 GPU 、 RAM 以及 Modem ，成功縮小晶片組的體積，達到智慧型手機對體積的嚴苛要求，但整合範圍僅限同性質的數位訊號晶片，單一晶片僅有數位運算功能。
「異質整合」則進一步擴大整合的範圍：除了數位訊號晶片，還將封裝範圍延伸到不同性質的類比晶片與微電子系統，包含光源感測器、微機電麥克風、射頻天線、生物感測器等晶片元件都被包進同一個封裝單位，讓單一晶片本身便具有運算、光感測、收音、錄音、通訊與生物辨識等多項功能。
賦予單一晶片多功能與體積優勢
為何異質整合特別？ 智慧型手機為因應消費者需求需同時具備多項功能，因此需要大面積的主機板連結多個晶片，才能組成一支正常運作的手機，而整個主機板就占據手機 40% 以上的面積，導致智慧型手機的尺寸很難再趨輕薄短小。
透過「異質整合」，不須透過主機板連接多項電子元件，多種不同性質的元件都能被封裝成「單一晶片」，不但能縮減大量的體積，還能依照不同應用場域的需求擴充晶片的功能，例如同時將數位晶片、類比晶片、感測器以及天線等異質元件透過整合成為單一晶片，這個集合晶片能獨立執行多項功能，晶片之間的物理距離減少也會降低訊號傳輸的耗電量與延遲時間，一次滿足省電節能與效率提升的需求。
一般而言，科技產業向來是「商業應用」帶動「硬體發展」，隨著數據時代來臨， 5G、物聯網、量子電腦、人工智慧等科技應用正推高運算效能的門檻，除了滿足數據的採集、分析與運算的需求之外，晶片設計上也必須依據領域不同而提高調整彈性。
舉例來說，物聯網晶片的工作環境複雜，需要在各式各樣難以維護的環境下長時間運作，必須使用多功能且高效能的晶片進行數據採集與邊緣計算，低功耗以及通訊的穩定度這時就顯得相當重要，如果晶片設計公司可以透過精進「異質整合技術」，成功在維持高良率的前提下整合多項不同晶片來擴充單一晶片功能，便能打造出體積小、效能高、在各種場景的終端應用皆能發揮強大功能的單一晶片。
步入後摩爾定律時代，未來半導體產業不只追求製程上的持續微縮，更在體積、耗能與數據運算架構的設計上都需要進一步的突破，而「異質整合技術」正帶領著產業探索晶片架構、運算效率，以及負載功能的全新可能性。
有鑑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「SMC Taiwan策略材料高峰論壇」、「SiP Global Summit系統級封測國際高峰論壇」，分別探討異質整合在先進封裝技術及創新材料上的機會與挑戰。想進一步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，絕對不能錯過！
