異質整合正成為後摩爾時代半導體技術發展的重要方向，並可能在未來30年內成為系統級晶片的主流技術，推動積體電路邁入異構整合時代。然而，異質整合要打破積體電路傳統的「道路」思維，仍有很長的路要走。

繞過摩爾定律的重要方法

我們目前正處於數位經濟蓬勃發展的時代，高效能運算、雲端運算、虛擬化和大數據分析等應用程式正在迅速發展。這一系列應用場景也將為處理器帶來巨大的工作負載，需要強大的運算能力作為支撐。

AMD全球高級副總裁兼大中華區總裁潘曉明表示，在半導體設計的黃金時代，人們可以透過技術進步降低每個電晶體的成本，同時提升效能。然而，每進入一個新的製程節點，都需要更長的時間來確保製程的成熟和穩定性，而且新製程的成本也顯著增加。這給人們帶來了新的挑戰，我們需要在其他方面探索更多創新，以進一步提升處理器的效能和運算能力。異質整合正成為提升晶片運算能力的重要發展方向。

那麼，什麼是異質集成呢？英特爾研究院副總裁兼英特爾中國研究院院長宋繼強指出，異質整合是將具有不同製程架構、不同指令集和不同功能的硬體整合到一個運算系統中。同時，異構整合也是晶片、封裝、系統和軟體之間的協同作用。它並非單一的技術點，而是多個技術點的綜合，涉及裝置、設計、軟體演算法等的集成，最終實現高效的異質系統。

摩爾定律實際上已經成為半導體產業的旗幟，但人們必須擺脫對製程節點縮小的痴迷，才能促進半導體技術的持續發展。 

對此，中國科學院院士毛俊發指出，目前半導體技術的發展主要有兩條路徑：一是延續摩爾定律，二是繞過摩爾定律。當延續摩爾定律面臨物理原理、技術手段和經濟成本等一系列嚴峻挑戰時，繞過摩爾定律便成為一種可行的發展路徑。異構積體電路正是繞過摩爾定律的重要途徑之一。

毛俊髮強調，研究半導體異質整合具有重要的科學意義。透過積體電路，積體電路可以從目前單一的同質製程發展到多種異質製程的集成，從目前的二維平面集成發展到三維集成，從而實現高性能複雜系統。異質整合的特性十分突出。首先，它可以整合不同的半導體材料、製程、結構和組件；其次，它採用了系統化的設計概念；第三，它應用了IP和晶片等先進技術，具有2.5維或三維高密度結構。因此，異質整合晶片可以實現強大而複雜的功能，突破單一半導體製程的性能極限；同時，它們還具有很強的靈活性、高可靠性、研發週期短，並且可以實現小型化和輕量化。

主要國際製造商已推出異質整合技術

由於這些優勢，異質整合已成為後摩爾時代半導體技術發展的主要路徑，越來越多的主流廠商對其給予高度重視。在今年的台北國際電腦展（Computex）上，AMD發布了實驗性產品Ryzen 5000，該產品採用台積電的3D Fabric先進封裝技術，成功地將包含64MB L3緩存的晶片組與處理器封裝在3D堆疊結構中。據AMD稱，該技術可將2D晶片的互連密度提升200倍以上，與現有3D封裝方案相比，互連密度也可提升15倍以上。

基於異質整合技術的發展，英特爾提出了XPU的概念。宋繼強表示：“對於英特爾而言，我們透過不同架構XPU的異質集成以及統一的跨架構編程模型oneAPI，推動異構計算的創新，實現軟硬體協同，以滿足更多工作負載需求，實現更高能效，幫助客戶降低成本，並根據需求快速提供解決方案。”

在去年的「架構日」上，英特爾推出了基於 EMIB（嵌入式多晶片互連橋）2D 封裝、Foveros 3D 封裝以及結合 2D 和 3D 的 CO-EMIB 技術的混合鍵合技術。該技術透過電氣連接獲得更高的載流能力，加速實現 10 微米及以下的凸點間距，為異構介質帶來更高的互連密度、頻寬和更低的功耗。

不僅英特爾和AMD，包括英偉達、高通、賽靈思等在內的眾多國際領先晶片廠商也高度重視異構整合技術。國內方面，紫光展銳、北京英科、維密微等公司也積極進行異質整合技術的研究與開發，並推出相關產品與解決方案。紫光展銳新推出的唐古拉T770整合了4核心ARM A76、4核心ARM A55、Mali-G57 GPU和基底晶片等，是異構整合技術的典型應用。

需要打破傳統的「道路」思維模式

儘管異質整合的發展前景非常廣闊，但實現起來卻並非易事。毛俊髮強調，由於不同特性和功能的介質之間緊密耦合且常常相互衝突，因此在設計異構電路時，必須解決有源/無源電路天線和數位/類比電路的電磁-熱-應力、多物理場協同設計以及多功能協同設計等問題。在製程製造方面，異構整合製程參數的調整也會受到電、熱、應力等多物理場特性的影響，需要理解它們之間的內在聯繫，並掌握製程的定量設計和最佳化機制。

宋繼強也認為，異質整合在硬體層面需要突破單一架構的限制，而整合多種架構的XPU架構將成為主流。 XPU架構的誕生對軟體提出了更高的要求，因為能夠同時掌握多種架構程式語言的開發者十分稀缺，而軟體又是釋放硬體效能的關鍵環節。因此，能夠跨架構編程的軟體模型以及能夠提升程式設計效率的工具至關重要。

英特爾提出了六大技術支柱，它們在XPU的實現中發揮了關鍵作用，包括過程、架構、記憶體、互連、安全性和軟體。儘管異質運算看似屬於硬體層面，但要充分發揮其潛力，需要先將晶片、系統和軟體進行整合。首先是晶片層，指的是晶片封裝內部的異質性，與「小晶片」的概念密切相關；其次是系統層，指的是多功能、多架構運算架構的整合；第三是軟體層，即統一的跨架構程式設計模型oneAPI，它透過一套軟體介面和一套函數庫，為開發者提供了在不同架構上進行程式設計的便利。

面對異構整合的發展，毛俊發提出了一個總體研究思路，即打破積體電路傳統的「道路」思維，基於耦合多物理場理論，以異構集成能力的形成為指導，結合場和道路，引領半導體異構集成電路的技術方向。

免責聲明：本文轉載自「中國半導體產業協會」。本文僅代表作者個人觀點，不代表賽科微電子及業界立場。轉載僅供支持智慧財產權保護之用，請註明原文出處及作者。如有侵權，請聯絡我們刪除。

公司電話號碼：+86-0755-83044319
傳真：+86-0755-83975897
郵箱：1615456225@qq.com
QQ：3518641314 李經理

QQ：332496225 邱經理

地址：深圳市龍華新區民治大道1079號展濤科技大樓C座809室