3D IC助攻移动处理器效能再上层楼

移动装置市场火热发展，刺激3D IC快速起飞。尤其在移动装置增添裸视3D、扩增实境等功能，以及照相机像素与高画质影像分辨率规格不断提升下，目前1.5GHz处理速度的处理器已面临瓶颈，促使芯片业者采取3D堆栈技术整合DDR3内存，以进一步提高效能。

　　近期智能型手机又更有进一步的新发展，如美国CTIA无线通讯科技展中，台湾宏达电新机HTC EVO 3D正式问世。该智能型手机为宏达电首款采用高通（Qualcomm）1.2GHz处理器，并具备裸视三维（3D）影像的Android 2.3操作系统手机，配备500万像素3D双镜头，以及130万像素前视频镜头，支持720p高画质3D和2D影片录制。

　　无独有偶，韩系手机大厂乐金（LG）与三星（Samsung）也陆续发表支持裸视3D的智能型手机。乐金Optimus 3D不仅让使用者可拍摄3D影片并以裸视方式观赏，还提供的完整3D体验，涵盖3D录像、3D影像观赏与内容分享。三星W960则配备主动矩阵式有机发光二极管（AMOLED）3D显示器，分辨率可达240×400像素，并内建2D、3D转换模式。

　　除了裸视3D外，扩增实境（AR）亦为下一波手机内建的创新功能；随着智能型手机等移动装置纳入越来越多的功能，同时既有功能规格也不断提升，处理器的处理速度亦须不断精进，才能符合市场的需求。

　　有鉴于移动装置内建的功能不断增加，应用处理器（AP）的效能亦须不断提高，移动装置处理器大厂包括高通、德州仪器（TI）、意法爱立信（ST-Ericsson）等已开始关注三维芯片（3D IC）技术，以期透过3D IC架构在处理器上增加更多内存容量，进一步提升处理器效能。而处理器业者的关注，也让3D IC的发展道路更加清晰。

　　台湾工业技术研究院信息与通讯研究所设计自动化技术组组长蒯定明表示，提高处理器效能的最主要的方式即增加内存深度，因此现阶段移动处理器业者多以系统封装（SiP）的方式将处理器与闪存（Flash Memory）整合，不过，这种设计方式，处理器速度最多仅能达到1.5GHz，若要进一步突破处理器效能，则须改以堆栈动态随机存取内存（DRAM）的设计方式，因此处理器厂商已开始朝此方向迈进。

　　虽然用SiP技术亦可达成处理器堆栈DRAM的设计，但其效果将不若采3D IC架构的方案。蒯定明解释，SiP是将要整合的芯片封装后，再从封装后的芯片旁边打线连接到外部，此一方式的连接效能会受到连外打线延迟影响；若采用3D IC架构，芯片间的联系，与对外联络都可以直接透过芯片上的打线，可顺利解决SiP的问题。由于3D IC具备的优势较SiP佳，因此处理器厂商已开始重视3D IC技术，并积极投入研发，对3D IC的发展而言将是很大的助力。

　　另一方面，主导DRAM的标准协会JEDEC提出的Wide I/O新规范中，开宗明义表示该规范除了在DRAM上采用五百一十二根I/O接脚外，并强调支持3D IC架构。台湾工业技术研究院信息与通讯研究所设计自动化技术组技术组长周永发指出，如此一来，移动装置处理器厂商若要导入DRAM以提高处理器整体效能，未来将不得不采用3D IC技术，这也是让处理厂商开始重视3D IC的主要因素。

　　蒯定明补充，JEDEC所提的新规范目前仍为草案阶段，预计2012年底定，预期未来DDR4也可能采用。

　　严格来说，目前仅内存已正式导入3D IC技术，相关业者如三星、尔必达（Elpida）均积极研发3D IC技术，但伴随移动装置对于处理器效能与尺寸的要求越来越严苛，目前包括高通、意法爱立信、德州仪器和辉达（NVIDIA）皆已积极发展3D IC架构，甚至联发科也相当关心3D IC技术的进展。蒯定明认为，在处理器业者的努力下，即使未来3D IC不会成为各种芯片产品必然采用的技术，但对其整体的发展仍将有相当大的推动力。

　　受到移动装置在外型尺寸上的持续轻薄化，以及更多元功能的发展，处理器厂商已开始进行更高整合度产品的研发，而提高处理器效能其中一种方法即为半导体先进制程技术。安谋国际（ARM）策略营销处长Ron Mooire表示，虽然系统单芯片（SoC）在每个制程世代的演进中皆可持续缩小15%的芯片尺寸，但在低功耗与高速处理速度上将面临极大的技术门坎，因此许多厂商开始关注3D IC架构的研发，如台积电、三星与全球晶圆（GlobalFoundries）等。

　　3D IC可异质整合更多种类的芯片，因此移动装置业者冀望透过处理器整合更多的DRAM，来提升效能。Mooire指出，由于摩尔定律已走到瓶颈，再加上SiP技术封装组件的效能有限，因此移动装置主处理器业者在多方考虑下，即便未来仍将持续走到14纳米制程，但3D IC将是其产品下一阶段另一重要发展技术。[page]

　　据了解，目前高通与德州仪器仍是采用SiP技术封装处理器与内存，预期未来将采用3D IC架构。

　　安谋国际身为移动处理器硅智财（IP）龙头业者，亦积极协助处理器厂商不断透过SoC或3D IC等技术提升效能。Mooire认为，虽然安谋国际仅为IP厂商，看似与实际的芯片产品无直接关系，但安谋国际在IP核心架构中结合处理器、绘图处理器（GPU）与内存的子系统（Sub-system），已就3D IC技术所需进行微调，并与晶圆厂维持密切的合作，进行3D IC的测试，因此安谋国际的合作伙伴中，第一级（Tier One）处理器业者已计划采用3D IC的架构。

　　Mooire并强调，未来无论是手机或平板装置（Tablet Device）等移动装置，甚至个人计算机（PC）都会日趋轻薄，因此3D IC将更有机会被采纳。

　　晶圆代工厂技术掌握度高

　　看准未来3D IC将是半导体产业势在必行的发展趋势，台湾创意电子正积极透过SiP技术的基础，进一步跨进3D IC技术的研发。由于3D IC发展过程中遇到的挑战与SiP大致类似，因此创意电子在SoC与SiP所累积的丰富经验，无疑成为其挺进3D IC市场最佳的技术后盾。

　　台湾创意电子营运处SiP/ 3D IC项目处长林崇铭表示，未来印刷电路板面积将持续缩减，芯片设计势必走向更高整合度，所以半导体业者必须藉由3D IC堆栈芯片技术来减少采用的芯片数量；而发展3D IC所面临的问题，如半导体设计自动化（EDA）工具不完备，以及如何确保已知良裸晶（Known Good Die）来源等，其实与SiP极为相似，且更加复杂，因此，若无扎实的SiP技术发展基石，则遑论3D IC的研发。

　　林崇铭进一步指出，虽然3D IC的问题较SiP复杂许多，但是凭借创意电子在SiP设计领域打下的深厚基础，将可顺利解决3D IC技术面所遭遇的挑战，这也是创意电子毅然决定跨入3D IC的重要因素。

　　目前创意电子在3D IC的发展尚在起步阶段，林崇铭表示，现阶段创意电子业务来源仍以SoC与SiP为主，3D IC技术仍未有客户，预期2013年，3D IC整体生态链的建构更完备、市场更成熟之后，创意电子3D IC的业务才会开始起飞，届时将锁定移动装置与高效能组件市场，初步将先整合逻辑与内存，或逻辑与模拟组件，抑或逻辑组件堆栈。在此之前，创意电子也将先建立2.5D芯片堆栈技术，以顺利升级至3D IC。

　　事实上，目前阻碍业者导入3D IC的一大因素，在于成本过高。林崇铭认为，现阶段，3D IC整体供应链尚未建置完全是不争的事实，导致3D IC成本过高，不过，此一鸡生蛋、蛋生鸡的问题，预计短时间内将可顺利解决，原因在于半导体业者对于3D堆栈技术需求已逐渐涌现，不论是采用硅穿孔（TSV）技术实现的3D IC，或英特尔提出的三闸极（Tri-gate）3D晶体管结构，皆已渐成气候，意味相关供应链亦已有初步的准备，因此未来3D IC的发展与生态系统将可望更趋完备。

　　3D IC俨然已成为未来超越摩尔定律的重要技术，因而吸引包括晶圆代工厂及封装厂纷纷抢进。然而，由于硅穿孔技术在晶圆制造前段即须进行，因此晶圆代工厂掌握的技术层级较封装厂高，在3D IC的技术与市场发展较具优势。

　　台湾南台科技大学电子系教授唐经洲表示，硅穿孔为3D IC最重要的技术，采用硅穿孔技术的芯片产品才能称为3D IC，而要进行硅穿孔，较佳的方式是在硅晶圆制造过程中即先行钻孔，如此一来，遭遇的问题将较少，而晶圆前段制程各项技术属晶圆厂最为熟知，自然晶圆厂商在3D IC的制造可掌握较多关键技术。

　　不过，对封装业者而言，3D IC自然也是不可忽略的商机。唐经洲指出，3D IC属于SiP技术的一环，擅于将各式晶圆进行封装工作的封装厂，亦跃跃欲试。然而，碍于封装厂的技术多属于晶圆后段制程，若要取得已经过硅穿孔的晶圆半成品，依旧须从晶圆厂购得，抑或者再投入庞大的资金建置前段制程，惟目前3D IC发展尚未相当明朗，封装业者对于庞大的投资能否达到平衡或进一步回收，仍抱持观望态度，以致于封装业者在3D IC市场的主导性不若晶圆厂。

　　虽然目前封装厂在3D IC市场优势较为薄弱，但并不代表封装厂在芯片立体堆栈的市场将完全没有机会。唐经洲认为，3D IC硅穿孔技术毕竟技术门坎仍相当高，成本依然高昂，因此许多对3D IC有兴趣的业者，如应用处理器大厂，即先选择采用2.5D架构，作为进入3D IC的基础。唐经洲强调，2.5D架构仅纯粹的芯片堆栈，毋须硅穿孔，因此技术难度相对较低，封装厂可掌握2.5D封装的关键技术，因此现阶段封装厂包括日月光、硅品皆已投入2.5D封装技术的发展。

　　专门提供IC制造设备的住程（SPTS）营销副总裁David Butler亦表示，就该公司客户的发展情形来看，2.5D将是半导体产业前进3D IC架构的第一步，包括封测业者与晶圆代工业者目前研发重点皆以2.5D为主，并计划以此为基础发展3D IC。[page]

　　陈瑞铭：3D IC市场尚未全面启动

　　观察整体半导体产业的发展，2011年第三季旺季不旺已成必然，但第四季与2012年，随着微软（Microsoft）Windows 7移动装置产品的问世与超微（AMD）试图将x86技术进行新的应用，如透过40或28纳米实现更低功耗芯片，以及Windows 8将可支持安谋国际、英特尔与超微架构，这些非苹果（Apple）阵营移动装置新一波的市场高潮，将更带动整体半导体产业的发展，除了促进SoC加速朝先进制程发展外，3D IC将是另一个受惠的技术。

　　惠瑞捷（Verigy）台湾分公司总经理陈瑞铭表示，3D IC受到瞩目的原因，除了可提高整合度与处理器效能外，更重要的是，毋须透过最先进的制程即可完成，因此主要的晶圆厂与行动处理器厂商势必进入3D IC的研发。

　　不过，3D IC硅穿孔技术却也带来许多挑战，陈瑞铭指出，硅穿孔技术仍在初步发展阶段，技术质量仍不稳定，且磨薄晶圆的技术门坎也很大，加上产业生态链未建立完全，也没有统一的标准可供业者遵循。此外，如何测试3D IC质量亦为一大学问，因此3D IC的市场尚未全面启动，反而是利用在基板上长晶、毋须钻孔的2.5D技术将成为SiP进展到3D IC的过渡技术。此外，2.5D亦已标准化，以此标准为基础也将加速3D IC标准的问世。

　　除了技术的挑战外，成本亦为3D IC发展不顺遂的原因。蒯定明指出，由于目前3D IC产业链并未建置完全，因此3D IC的成本仍然相当高昂，导致3D IC将不会成为普遍使用的芯片技术，且应用产品也将锁定于对高成本组件接受度较大的高阶产品。

　　综上所述，移动装置无疑是助长3D IC发展的主要推手，即便仍有诸多挑战待解，3D IC市场起飞已指日可待。日前刚结束的SEMICON Taiwan中，日月光集团总经理暨研发长唐和明即表示，3D IC将是后PC时代，亦即移动运算时代的主流，即使全球经济发展速度减缓，各厂推动研发脚步并不停歇。今年以来从上游IC设计、整合组件制造商（IDM）、晶圆代工厂，到后段封测厂及系统整合厂商，都朝制定逻辑IC和内存连结的共同标准迈进，2011年底即可看到成果，并做为业者开发的依据，预计2013年将为3D IC起飞元年。