Bao bì bán dẫn đã phát triển từ thiết kế PCB 1D truyền thống sang liên kết lai 3D tiên tiến ở cấp độ tấm bán dẫn. Sự tiến bộ này cho phép khoảng cách giữa các kết nối trong phạm vi micron một chữ số, với băng thông lên tới 1000 GB/s, trong khi vẫn duy trì hiệu quả sử dụng năng lượng cao. Cốt lõi của công nghệ đóng gói bán dẫn tiên tiến là đóng gói 2,5D (trong đó các thành phần được đặt cạnh nhau trên một lớp trung gian) và đóng gói 3D (bao gồm các chip hoạt động xếp chồng theo chiều dọc). Những công nghệ này rất quan trọng cho tương lai của các hệ thống HPC.
Công nghệ đóng gói 2.5D bao gồm nhiều vật liệu lớp trung gian khác nhau, mỗi vật liệu đều có ưu điểm và nhược điểm riêng. Các lớp trung gian silicon (Si), bao gồm các tấm silicon thụ động hoàn toàn và các cầu nối silicon cục bộ, được biết đến với khả năng cung cấp khả năng nối dây tốt nhất, khiến chúng trở nên lý tưởng cho điện toán hiệu năng cao. Tuy nhiên, chúng có chi phí cao về vật liệu và sản xuất cũng như gặp những hạn chế về lĩnh vực đóng gói. Để giảm thiểu những vấn đề này, việc sử dụng cầu nối silicon cục bộ ngày càng tăng, sử dụng silicon một cách chiến lược trong đó chức năng tốt là rất quan trọng đồng thời giải quyết các hạn chế về diện tích.
Các lớp trung gian hữu cơ, sử dụng nhựa đúc hình quạt, là giải pháp thay thế tiết kiệm chi phí hơn cho silicon. Chúng có hằng số điện môi thấp hơn, giúp giảm độ trễ RC trong gói. Bất chấp những ưu điểm này, các lớp trung gian hữu cơ vẫn gặp khó khăn để đạt được mức giảm tính năng kết nối tương tự như bao bì dựa trên silicon, hạn chế việc áp dụng chúng trong các ứng dụng điện toán hiệu năng cao.
Các lớp trung gian bằng kính đã thu hút được sự quan tâm đáng kể, đặc biệt là sau khi Intel ra mắt bao bì xe thử nghiệm bằng kính gần đây. Thủy tinh có một số ưu điểm, chẳng hạn như hệ số giãn nở nhiệt (CTE) có thể điều chỉnh được, độ ổn định kích thước cao, bề mặt nhẵn và phẳng cũng như khả năng hỗ trợ sản xuất tấm nền, khiến nó trở thành ứng cử viên đầy triển vọng cho các lớp trung gian có khả năng nối dây tương đương với silicon. Tuy nhiên, bên cạnh những thách thức về mặt kỹ thuật, nhược điểm chính của các lớp trung gian thủy tinh là hệ sinh thái chưa trưởng thành và thiếu năng lực sản xuất quy mô lớn hiện nay. Khi hệ sinh thái trưởng thành và khả năng sản xuất được cải thiện, các công nghệ dựa trên thủy tinh trong bao bì bán dẫn có thể sẽ tăng trưởng và áp dụng hơn nữa.
Về công nghệ đóng gói 3D, liên kết lai không va đập Cu-Cu đang trở thành công nghệ tiên tiến hàng đầu. Kỹ thuật tiên tiến này đạt được các kết nối vĩnh viễn bằng cách kết hợp vật liệu điện môi (như SiO2) với kim loại nhúng (Cu). Liên kết lai Cu-Cu có thể đạt được khoảng cách dưới 10 micron, thường ở phạm vi micron một chữ số, thể hiện sự cải tiến đáng kể so với công nghệ va chạm vi mô truyền thống, có khoảng cách va chạm khoảng 40-50 micron. Ưu điểm của liên kết lai bao gồm tăng I/O, tăng cường băng thông, cải thiện xếp chồng dọc 3D, hiệu suất năng lượng tốt hơn và giảm hiệu ứng ký sinh và khả năng chịu nhiệt do không có lớp lấp đầy đáy. Tuy nhiên, công nghệ này chế tạo phức tạp và có giá thành cao hơn.
Công nghệ đóng gói 2.5D và 3D bao gồm nhiều kỹ thuật đóng gói khác nhau. Trong bao bì 2.5D, tùy thuộc vào sự lựa chọn vật liệu lớp trung gian, nó có thể được phân loại thành các lớp trung gian dựa trên silicon, dựa trên hữu cơ và dựa trên thủy tinh, như trong hình trên. Trong bao bì 3D, sự phát triển của công nghệ va chạm vi mô nhằm mục đích giảm kích thước khoảng cách, nhưng ngày nay, bằng cách áp dụng công nghệ liên kết lai (phương pháp kết nối Cu-Cu trực tiếp), có thể đạt được kích thước khoảng cách một chữ số, đánh dấu sự tiến bộ đáng kể trong lĩnh vực này .
**Xu hướng công nghệ chính cần theo dõi:**
1. **Diện tích lớp trung gian lớn hơn:** IDTechEx trước đây đã dự đoán rằng do khó khăn của các lớp trung gian silicon vượt quá giới hạn kích thước kẻ ô 3x, các giải pháp cầu silicon 2.5D sẽ sớm thay thế các lớp trung gian silicon làm lựa chọn chính để đóng gói chip HPC. TSMC là nhà cung cấp chính các lớp trung gian silicon 2,5D cho NVIDIA và các nhà phát triển HPC hàng đầu khác như Google và Amazon, đồng thời công ty gần đây đã công bố sản xuất hàng loạt CoWoS_L thế hệ đầu tiên với kích thước kẻ ô 3,5 lần. IDTechEx hy vọng xu hướng này sẽ tiếp tục, với những tiến bộ hơn nữa được thảo luận trong báo cáo của mình về những người chơi chính.
2. **Bao bì cấp bảng điều khiển:** Bao bì cấp bảng điều khiển đã trở thành trọng tâm quan trọng, như đã được nhấn mạnh tại Triển lãm Bán dẫn Quốc tế Đài Loan năm 2024. Phương pháp đóng gói này cho phép sử dụng các lớp trung gian lớn hơn và giúp giảm chi phí bằng cách sản xuất nhiều gói hàng cùng một lúc. Bất chấp tiềm năng của nó, những thách thức như quản lý cong vênh vẫn cần được giải quyết. Sự nổi bật ngày càng tăng của nó phản ánh nhu cầu ngày càng tăng đối với các lớp trung gian lớn hơn, tiết kiệm chi phí hơn.
3. **Lớp trung gian của thủy tinh:** Thủy tinh đang nổi lên như một vật liệu ứng cử viên sáng giá để đạt được hệ thống dây điện tốt, có thể so sánh với silicon, với các ưu điểm bổ sung như CTE có thể điều chỉnh và độ tin cậy cao hơn. Các lớp trung gian bằng kính cũng tương thích với bao bì ở cấp độ bảng điều khiển, mang lại tiềm năng đi dây mật độ cao với chi phí dễ quản lý hơn, khiến nó trở thành giải pháp đầy hứa hẹn cho các công nghệ đóng gói trong tương lai.
4. **Liên kết lai HBM:** Liên kết lai đồng-đồng (Cu-Cu) 3D là công nghệ then chốt để đạt được các liên kết dọc có bước cao độ siêu mịn giữa các chip. Công nghệ này đã được sử dụng trong nhiều sản phẩm máy chủ cao cấp khác nhau, bao gồm AMD EPYC cho SRAM và CPU xếp chồng, cũng như dòng MI300 để xếp chồng các khối CPU/GPU trên khuôn I/O. Liên kết lai dự kiến sẽ đóng một vai trò quan trọng trong các tiến bộ của HBM trong tương lai, đặc biệt đối với các ngăn xếp DRAM vượt quá lớp 16-Hi hoặc 20-Hi.
5. **Thiết bị quang đồng đóng gói (CPO):** Với nhu cầu ngày càng tăng về thông lượng dữ liệu cao hơn và hiệu suất năng lượng cao hơn, công nghệ kết nối quang đã thu hút được sự chú ý đáng kể. Các thiết bị quang đóng gói chung (CPO) đang trở thành giải pháp chính để tăng cường băng thông I/O và giảm mức tiêu thụ năng lượng. So với truyền dẫn điện truyền thống, truyền thông quang học có một số lợi thế, bao gồm suy giảm tín hiệu thấp hơn trong khoảng cách xa, giảm độ nhạy xuyên âm và tăng băng thông đáng kể. Những ưu điểm này khiến CPO trở thành lựa chọn lý tưởng cho các hệ thống HPC tiết kiệm năng lượng, sử dụng nhiều dữ liệu.
**Các thị trường chính cần theo dõi:**
Thị trường chính thúc đẩy sự phát triển của công nghệ đóng gói 2.5D và 3D chắc chắn là lĩnh vực điện toán hiệu năng cao (HPC). Những phương pháp đóng gói tiên tiến này rất quan trọng để khắc phục những hạn chế của Định luật Moore, cho phép có nhiều bóng bán dẫn, bộ nhớ và kết nối hơn trong một gói duy nhất. Việc phân tách chip cũng cho phép sử dụng tối ưu các nút quy trình giữa các khối chức năng khác nhau, chẳng hạn như tách các khối I/O khỏi các khối xử lý, nâng cao hơn nữa hiệu quả.
Ngoài điện toán hiệu năng cao (HPC), các thị trường khác cũng được kỳ vọng sẽ đạt được mức tăng trưởng thông qua việc áp dụng các công nghệ đóng gói tiên tiến. Trong lĩnh vực 5G và 6G, những cải tiến như đóng gói ăng-ten và giải pháp chip tiên tiến sẽ định hình tương lai của kiến trúc mạng truy cập không dây (RAN). Xe tự hành cũng sẽ được hưởng lợi vì những công nghệ này hỗ trợ tích hợp bộ cảm biến và đơn vị tính toán để xử lý lượng lớn dữ liệu đồng thời đảm bảo an toàn, độ tin cậy, nhỏ gọn, quản lý năng lượng và nhiệt cũng như hiệu quả chi phí.
Thiết bị điện tử tiêu dùng (bao gồm điện thoại thông minh, đồng hồ thông minh, thiết bị AR/VR, PC và máy trạm) ngày càng tập trung vào việc xử lý nhiều dữ liệu hơn trong không gian nhỏ hơn, mặc dù chú trọng nhiều hơn đến chi phí. Bao bì bán dẫn tiên tiến sẽ đóng một vai trò quan trọng trong xu hướng này, mặc dù các phương pháp đóng gói có thể khác với các phương pháp được sử dụng trong HPC.
Thời gian đăng: 25/10/2024