小芯片為工程師們提供了半導體領域的新機遇，但當前的鍵合技術帶來了許多挑戰(zhàn)。現(xiàn)在，IBM 和 ASMPT 之間的一家合資企業(yè)已經(jīng)開發(fā)出一種用于封裝芯片的新型混合鍵合技術，可以在原子尺度上直接鍵合芯片，從而減小觸點尺寸。

chiplet 面臨哪些挑戰(zhàn)，合資企業(yè)開發(fā)了什么，這將如何幫助加速未來的 chiplet 設計？

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小芯片面臨哪些挑戰(zhàn)？

隨著半導體制造商努力縮小單個晶體管的尺寸，研究人員也在不斷尋找提高現(xiàn)代設備性能的新方法。雖然一種選擇是使通用處理器更強大（具有更快的計算速度和更大的內(nèi)存大小），但另一種選擇是識別資源密集型的特定任務并創(chuàng)建專用硬件加速器。這種硬件加速器的使用已經(jīng)得到廣泛使用，例如處理圖形例程的 GPU、針對神經(jīng)網(wǎng)絡優(yōu)化的 AI 加速器，以及允許在不影響性能的情況下進行即時加密的加密加速器。

然而，對于加速器提供的所有好處，將加速器放置在芯片外部會對數(shù)據(jù)帶寬產(chǎn)生巨大影響，但嘗試將加速器集成到單個單片半導體中會減少可用于其他硬件（例如處理器內(nèi)核和內(nèi)存）的總面積。為了解決這一挑戰(zhàn)，工程師們正在轉向小芯片，即具有特定用途的小型獨立半導體芯片，并將這些小芯片連接在一起以創(chuàng)建封裝模塊。

這不僅讓工程師能夠充分利用任何一個裸片上的硅空間，而且還允許定制，小芯片可以換成不同的設備，從而實現(xiàn) SoC 的完全定制。但是，盡管小芯片帶來了所有優(yōu)勢，但工程師們正在努力應對一個主要缺點：芯片互連。

在 IBM Research 最近的一篇博客文章中，他們深入探討了小芯片的概念以及它們?nèi)绾螏椭朔@些挑戰(zhàn)。小芯片本質(zhì)上是復雜功能芯片的更小的功能塊，它可以包括獨立的計算處理器、圖形單元、AI 加速器和 I/O 功能。通過打破片上系統(tǒng)模型，chiplet 可以帶來更節(jié)能的系統(tǒng)，縮短系統(tǒng)開發(fā)周期，并以比現(xiàn)在更低的成本構建專用計算機。

一種解決方案是將小芯片倒裝到類似于 PCB 的基板上，并將裸片焊接到基板上。然而，由于目前焊接技術的限制，芯片上的焊盤尺寸必須大于幾十微米，這就限制了互連密度。同時，焊料可能難以控制，導致帶寬受限的低質(zhì)量連接。

IBM 的第二代納米片技術為在 300 毫米晶圓上生產(chǎn)的 2 納米節(jié)點鋪平了道路。這項技術允許在指甲蓋大小的空間內(nèi)安裝 500 億個晶體管。用于 2 納米芯片節(jié)點的納米片晶體管是對幾個較小的里程碑的驗證，這些里程碑證明了這是可以做到的，也是 IBM 跨學科專家團隊在材料、光刻、集成、設備、表征和建模方面的辛勤工作和奉獻精神的驗證。

另一種選擇是將裸片安裝到基板上并在裸片之間使用金線。雖然這通常用于芯片鍵合，但它是一種昂貴的工藝，可能不適合定制小芯片設計的小批量生產(chǎn)。還有一些實際限制可能會使芯片的鍵合線變得復雜（因為結束鍵合線會留下尾巴，尾巴會四處移動并可能導致短路）。

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IBM 和 ASMPT 開發(fā)了

一種新的小芯片鍵合技術

認識到小芯片鍵合面臨的挑戰(zhàn)，IBM和ASMPT的研究人員聯(lián)合開發(fā)了一種新的解決方案，可以幫助加速小芯片的部署。這種用于封裝芯片的新型混合鍵合允許芯片在原子尺度上直接鍵合。

IBM 和 ASMPT 在 chiplet bonding 技術上取得了重大突破。他們開發(fā)了一種混合鍵合技術，可以大大減少兩個小芯片之間所需的鍵合尺寸。這是通過在原子尺度上利用銅和氧化物層來實現(xiàn)的，鍵本身只有幾個原子厚。這一發(fā)展可能會徹底改變小芯片的封裝方式，并加速小芯片技術的部署。

為了幫助粘合小芯片，該研究機構開發(fā)了一種混合技術，該技術在原子尺度上利用銅和氧化物層（粘合本身只有幾個原子厚）。然而，為了使粘合起作用，必須去除兩個表面之間的所有水分和碎屑，因為即使是幾個水分子也足以影響兩個觸點之間的電氣連續(xù)性。這也適用于可能在兩個表面之間形成的潛在氣泡，因為小氣泡可以很容易地通過靜電力容納氣體分子。

一張圖片展示了通過該團隊的方法實現(xiàn)的兩層之間的微小結合。

IBM 和 ASMPT 開發(fā)的混合鍵合技術改變了半導體行業(yè)的游戲規(guī)則。通過將兩個小芯片之間所需的鍵合尺寸減小到僅幾個原子，該技術可以顯著增加兩個不同芯片之間的連接密度。這反過來又會導致數(shù)據(jù)帶寬的大幅增加，為半導體產(chǎn)品的設計和性能開辟新的可能性。

據(jù)研究人員稱，所開發(fā)的方法與現(xiàn)有的不同小芯片之間使用的芯片接合方法極為相似，但規(guī)模要小得多。此外，該合資企業(yè)能夠?qū)崿F(xiàn)與 ASMPT 提供的現(xiàn)有機械的結合，這意味著這項新技術有可能在未來幾年內(nèi)得到部署。

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這種貼片技術如何改變未來的技術？

到目前為止，新開發(fā)的鍵合技術提供的最大優(yōu)勢是它顯著增加了兩個不同芯片之間的連接密度，從而增加了數(shù)據(jù)帶寬。然而，增加連接密度也允許工程師將復雜的設計拆分到多個芯片上，這不僅有助于提高晶圓良率，而且會顯著增加設計的尺寸。反過來，這會增加大型半導體產(chǎn)品的晶體管數(shù)量，從而導致具有更高處理器和內(nèi)存容量的指數(shù)級更強大的系統(tǒng)。

此外，新的鍵合技術還有助于加速工程師的半導體定制。雖然仍處于起步階段，但如果 chiplet 行業(yè)與 PCB 行業(yè)有任何相似之處，那么用不了多久，工程師就能夠以近乎相同的方式設計自己的 SoC，以提供組裝服務的定制 PCB。此類服務將允許工程師創(chuàng)建適合其應用的 SoC，為關鍵任務集成加速器，同時利用低能耗選項來降低功耗。

總體而言，IBM 和 ASMPT 開發(fā)的產(chǎn)品令 chiplet 行業(yè)興奮不已。雖然需要做更多的研究來確保鍵合技術的可靠性和可重復性，但這種用于封裝芯片的新型混合鍵合可能會徹底改變半導體的設計和制造方式。

這種新的混合鍵合技術的開發(fā)證明了IBM和ASMPT的研究人員正在進行的創(chuàng)新工作。這是小芯片技術領域的一個重要里程碑，對未來充滿希望。隨著這項技術的不斷發(fā)展，我們可以期待在半導體的設計和制造方式上看到更多激動人心的發(fā)展。

IBM 對小芯片的研究已經(jīng)顯示出可喜的成果。他們正在根據(jù)行業(yè)小芯片標準的兩個主要競爭者通用小芯片互連快速 (UCIe) 聯(lián)盟和開放計算項目的線束規(guī)范的方向探索小芯片I/O 的各種設計。IBM 研究人員參與了這兩項計劃，在潛在的未來小芯片封裝解決方案的背景下研究信號映射策略。這種主動方法可確保 IBM 在標準達成一致后立即準備好構建小芯片。