三國(guó)演義第一回就開(kāi)宗明義地說(shuō)明：「話說(shuō)天下大勢(shì)，分久必合，合久必分。」這句話用來(lái)形容IC芯片也是非常的貼切。

IC芯片由早期單一功能芯片，演進(jìn)到多功能的多晶粒封裝(multi-chip module；MCM)，到系統(tǒng)單晶片(system on a chip；SoC)、系統(tǒng)級(jí)封裝(system in a package；SiP)，以至于到最近俗稱的小芯片(chiplet)。這些分分合合一路走來(lái)，與半導(dǎo)體制程及封裝測(cè)試技術(shù)，乃至于系統(tǒng)端的應(yīng)用都有著密不可分的關(guān)系。

最早期的系統(tǒng)應(yīng)用，都是將各式不同功能的IC，以印刷電路板的方式整合在一起。但隨這系統(tǒng)端所需操作的頻率愈來(lái)愈高，以及縮小尺寸的要求，將幾顆核心的IC整合在同一個(gè)封裝內(nèi)，以縮短彼此間的傳輸距離，成為一個(gè)趨勢(shì)，多顆晶粒的封裝技術(shù)(MCM)應(yīng)運(yùn)而生。此外SiP、異質(zhì)整合，乃至于3DIC，都是更為先進(jìn)的封裝方式，技術(shù)上包括了芯片的堆棧。總之若芯片設(shè)計(jì)或晶圓制程上，無(wú)法滿足系統(tǒng)端的需求，就會(huì)尋求在封裝上提供解決的方案。所以芯片設(shè)計(jì)、晶圓制作以及封測(cè)是三足鼎立，而彼此間隨著時(shí)間及技術(shù)演進(jìn)互有消長(zhǎng)。

裸晶良品(known good die；KGD)在多芯片的封裝上是個(gè)很大的挑戰(zhàn)，通常一顆芯片都得經(jīng)過(guò)封裝后，才能做完整的測(cè)試再出貨。但是在多顆裸晶共同封裝在一個(gè)模塊上，若無(wú)法確定每一個(gè)裸晶都是良品的話，勢(shì)必會(huì)造成良率上的重大損失。為了確保每顆裸晶都是良品，業(yè)者大力開(kāi)發(fā)了晶圓上的測(cè)試技術(shù)(chip probe)，這包括了復(fù)雜的探針卡(probe card)，以及測(cè)試設(shè)備，而這些產(chǎn)品也形成了整體產(chǎn)業(yè)鏈的重要環(huán)節(jié)。

隨著晶圓制程技術(shù)愈來(lái)愈成熟與進(jìn)步，晶圓廠已經(jīng)可以在同一套制程中，提供不同工作電壓或崩潰電壓的晶體管。同時(shí)扮演重要角色的嵌入式存儲(chǔ)器，如快閃存儲(chǔ)器(Flash)、EEPROM、OTM(one time memory)，也都能逐一實(shí)現(xiàn)在同一片晶圓中。至此結(jié)合了邏輯運(yùn)算、類比電路、存儲(chǔ)器，甚至于高壓電源管理，系統(tǒng)單晶片的架構(gòu)終于整合且可具體實(shí)現(xiàn)。

蘋果的M1芯片可以說(shuō)是目前系統(tǒng)單晶片的極致，整合了Arm架構(gòu)的CPU、GPU、AI神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的加速引擎，以及連結(jié)這些單元的fabric總線界面。比起x86的架構(gòu)，M1芯片具備了高效能、低功耗及高集成度的優(yōu)勢(shì)，M1 Max一顆芯片內(nèi)含了570億個(gè)晶體管，是目前個(gè)人計(jì)算機(jī)芯片的翹楚。

系統(tǒng)單晶片的另一個(gè)極致就是NVIDIA的GPU，NVIDIA最新一代的Hopper GPU，內(nèi)涵800億個(gè)晶體管，1.5萬(wàn)個(gè)核心，使用臺(tái)積4奈米的制程，而每一顆芯片的長(zhǎng)寬邊長(zhǎng)將近3公分。這顆巨無(wú)霸的芯片，直接挑戰(zhàn)的就是晶圓廠的良率，以及后續(xù)的封裝測(cè)試，而每一片12吋晶圓能有效使用的面積也會(huì)受到影響。假設(shè)系統(tǒng)上對(duì)于高效能運(yùn)算(HPC)芯片的需求持續(xù)增加，在單一芯片的面積無(wú)法再增加的情況下，就得開(kāi)始做適度的切割，這也是小芯片被提出的原因。

值得一提的是，NVIDIA GPU的命名一直使用著名科學(xué)家的姓氏，如之前的安培、伏特、巴斯卡等。此次的Hopper是美國(guó)著名的女性計(jì)算機(jī)專家，官拜海軍少將，而她的名字Grace也被命名為NVIDIA第一顆即將商品化的 CPU。

小芯片的提出，除了舒緩芯片面積持續(xù)增加的挑戰(zhàn)外，另外也可將單晶片內(nèi)不同功能的區(qū)塊加以分割，以不同的制程條件來(lái)實(shí)現(xiàn)。比如說(shuō)芯片的核心以5奈米來(lái)實(shí)現(xiàn)，而其I/O或主管控制匯流部分，就可以用較成熟的制程來(lái)實(shí)現(xiàn)，以進(jìn)一步優(yōu)化成本。因此在多個(gè)小芯片間的傳輸通訊協(xié)議就很重要，這也是小芯片聯(lián)盟所提出的界面標(biāo)準(zhǔn)UCIe(Universal chiplet interconnect express)。事實(shí)上這就是異質(zhì)整合的具體實(shí)現(xiàn)，換言之也就是SoC的進(jìn)階版system on integrated chips(SoIC)。

在這一股芯片分合的大勢(shì)下，有家新創(chuàng)的芯片設(shè)計(jì)公司卻反其道而行，將整個(gè)12吋晶圓制作成單一高速運(yùn)算的芯片，芯片的邊長(zhǎng)超過(guò)20公分，內(nèi)含了1.2兆個(gè)晶體管。其所持的理由是，未來(lái)芯片在傳輸一個(gè)位元所損失的能量，會(huì)大于去運(yùn)算一個(gè)位元所需的能量，而這種設(shè)計(jì)并可以增加操作的頻率。此種做法是否會(huì)引領(lǐng)風(fēng)潮，且拭目以待。

十多年前喧騰一時(shí)，但卻胎死腹中的18吋晶圓計(jì)劃，最近又被有心人士提出，以應(yīng)付愈來(lái)愈龐大的單一芯片。看來(lái)半導(dǎo)體的研發(fā)人員，一直在挑戰(zhàn)問(wèn)題以及提出解決問(wèn)題的方案，也就不斷地在分分合合的道路上邁步向前。