美国在Chiplet上押下重注

50 多年来，计算机芯片的设计者主要使用一种策略来提高性能：他们缩小电子元件的尺寸，以便在每块硅片上封装更多的晶体管。

十多年前，芯片制造商Advanced Micro Devices的工程师开始研究一个激进的想法。他们没有设计一个带有大量微型晶体管的大型微处理器，而是设想用更小的芯片制造一个，这些芯片将紧密封装在一起，像一个电子大脑一样工作。

这个概念有时被称为小芯片，大受欢迎，AMD、苹果、亚马逊、特斯拉、IBM 和英特尔都推出了此类产品。chiplets 迅速获得关注，因为较小的芯片制造成本较低，而它们的捆绑可以超越任何单个硅片的性能。

该战略基于先进的封装技术，已成为推动半导体进步的重要工具。对于推动人工智能、自动驾驶汽车和军事硬件等领域创新的行业来说，它代表了多年来最大的转变之一。

“封装是行动的关键所在，”加州大学洛杉矶分校电气和计算机工程教授 Subramanian Iyer 说，他帮助开创了 chiplet 概念。“它正在发生，因为实际上没有其他办法。”

问题是，这种封装就像自己制造芯片一样，绝大多数由亚洲公司主导。据行业协会 IPC 称，尽管美国约占全球半导体产量的 12%，但美国公司仅提供 3% 的芯片封装。

现在，这个问题已将小芯片置于美国工业政策制定的中间。去年夏天通过的CHIPS法案是一项 520 亿美元的补贴计划，被视为拜登总统通过提供资金建造更先进的工厂（称为“晶圆厂”）来重振国内芯片制造的举措。但它的一部分还旨在推动美国的先进封装工厂获得更多这一基本过程。

商务部长吉娜·雷蒙多 (Gina Raimondo)今年 2 月在乔治城大学发表演讲时说：“随着芯片变得越来越小，芯片的排列方式（即封装）变得越来越重要，我们需要在美国完成。”

商务部现在正在接受CHIPS 法案的制造补助金申请，包括芯片封装工厂。它还为专门针对先进封装的研究项目分配资金。

一些芯片封装公司正在迅速行动以筹集资金。其中之一是位于堪萨斯州威奇托的 Integra Technologies，该公司宣布计划在那里进行 18 亿美元的扩张，但表示这取决于能否获得联邦补贴。大部分业务在亚洲的亚利桑那州封装服务公司 Amkor Technology 也表示，它正在与客户和政府官员讨论在美国生产的事宜。

将芯片封装在一起并不是一个新概念，小芯片只是该想法的最新迭代，利用技术进步帮助将芯片更紧密地塞在一起——并排或堆叠在一起——以及它们之间更快的电气连接.

“小芯片的独特之处在于它们的电气连接方式，”位于加利福尼亚州圣克拉拉的芯片封装服务公司 Promex Industries 的首席执行官理查德奥特说。

如果没有办法将它们与其他组件连接起来，芯片就无法做任何事情，这意味着它们需要放置在某种可以承载电信号的封装中。该过程在工厂完成制造的初始阶段后开始，这可能会在硅晶圆上制造数百个芯片。一旦该晶圆被切开，单个芯片通常会粘合到称为基板的关键基础层，该基板可以传导电信号。

然后将该组合涂上保护性塑料，形成一个可以插入电路板的封装，该电路板对于连接到系统中的其他组件至关重要。

这些流程最初需要大量体力劳动，导致硅谷公司在 50 多年前将包装转移到亚洲工资较低的国家。大多数芯片通常被空运到中国台湾、马来西亚、韩国和中国大陆等国家/地区的封装服务。

从那时起，由于摩尔定律的回报递减，封装技术的进步变得越来越重要，摩尔定律是芯片小型化的简写，几十年来推动了硅谷的进步。它以英特尔联合创始人戈登摩尔的名字命名，他在 1965 年的论文中描述了公司如何迅速将典型芯片上的晶体管数量增加一倍，从而以更低的成本提高了性能。

但如今，较小的晶体管不一定更便宜，部分原因是为尖端芯片建造工厂可能要花费 100 亿至 200 亿美元。大而复杂的芯片设计成本也很高，而且往往有更多的制造缺陷，即使在生成人工智能等领域的公司想要的晶体管数量超过目前最大芯片制造机器所允许的数量。

Cadence Design Systems 的首席执行官 Anirudh Devgan 说：“对此的自然反应是将更多的东西放在一个封装中。”Cadence Design Systems 的软件用于设计传统芯片以及小芯片式产品。

竞争对手 Synopsys 表示，它正在跟踪 140 多个基于将多个芯片封装在一起的客户项目。据市场研究公司 Yole Group 称，到 2027 年，多达 80% 的微处理器将使用小芯片式设计。

如今，公司通常将所有小芯片与他们自己的连接技术一起设计在一个封装中。但行业组织正在制定技术标准，以便公司可以更轻松地组装来自不同制造商的小芯片的产品。

这项新技术现在主要用于实现极致性能。英特尔最近推出了一款名为 Ponte Vecchio 的处理器，它有 47 个小芯片，将用于芝加哥附近阿贡国家实验室的强大超级计算机。

今年 1 月，AMD 披露了一款不同寻常的产品 MI300 的计划，该产品将用于标准计算的小芯片与为计算机图形设计的其他小芯片以及大量内存芯片相结合。该处理器旨在为劳伦斯利弗莫尔国家实验室的另一台先进超级计算机提供动力，它拥有 1460 亿个晶体管，而大多数先进的传统芯片则有数百亿个晶体管。

AMD 高级副总裁萨姆·纳夫齐格 (Sam Naffziger) 表示，该公司将其服务器计算机的芯片业务押注在小芯片上并不是一个自我决定。他说，封装的复杂性是一个主要障碍，最终在一位未公开的合作伙伴的帮助下克服了这一障碍。

但是小芯片已经为 AMD 带来了回报。根据 Mercury Research 的数据，自 2017 年以来，该公司已售出超过 1200 万个基于该想法的芯片，并已成为为网络提供动力的微处理器的主要参与者。

封装服务仍然需要其他人来提供小芯片连接电路板和相互连接所需的基板。推动小芯片热潮的公司之一是台积电，该公司已经为 AMD 和其他数百家公司生产芯片，并提供一种称为中介层的先进硅基基板。

英特尔一直在开发类似的技术，并以一种受到硅谷初创公司 Eliyan 等人青睐的方法来增强更便宜的传统塑料基板。英特尔还一直在五角大楼计划下开发新的封装原型，并希望赢得 CHIPs Act 对新试点封装厂的支持。

但美国没有这些基板的主要制造商，这些基板主要在亚洲生产，并从用于制造电路板的技术发展而来。许多美国公司也离开了该业务，这是行业组织希望刺激联邦资金帮助电路板供应商开始制造基板的另一个担忧。

3 月，拜登先生宣布高级封装和国内电路板生产对国家安全至关重要，并宣布为这些领域的美国和加拿大公司提供 5000 万美元的《国防生产法》资金。

安德烈亚斯·奥洛夫森 (Andreas Olofsson) 说，即使有这样的补贴，封装所有必要的元素以减少美国对亚洲公司的依赖“也是一个巨大的挑战”，他在创立一家名为零 ASIC 的封装初创公司之前负责该领域的国防部研究工作。“你没有供应商。你没有劳动力。你没有设备。你必须从头开始。”

*免责声明：本文由作者原创。文章内容系作者个人观点，半导体行业观察转载仅为了传达一种不同的观点，不代表半导体行业观察对该观点赞同或支持，如果有任何异议，欢迎联系半导体行业观察。

今天是《半导体行业观察》为您分享的第3399期内容，欢迎关注。