近日在國際固態電路大會（ISSCC 2024）上，臺積電正式公布了其用于高性能計算 （HPC）、人工智能芯片的全新封裝平臺，該技術有望將芯片的晶體管數量從目前的1000億提升到1萬億。

臺積電業務開發資深副總裁張曉強 （Kevin Zhang） 在演講中表示，開發這項技術是為了提高人工智能芯片的性能。要想增加更多的HBM高帶寬存儲器和chiplet架構的小芯片，就必須增加更多的組件和IC基板，這可能會導致連接和能耗方面的問題。

張曉強強調，臺積電的新封裝技術通過硅光子技術，使用光纖替代傳統I/O電路傳輸數據。而另一大特點是，使用異質芯片堆棧在IC基板上，采用混合鍵合來最大化I/O，這也使得運算芯片和HBM高帶寬存儲器可以安裝在硅中介層上。他還表示，這一封裝技術將采用集成穩壓器來處理供電的問題。

臺積電表示，當今最先進的芯片可以容納多達 1000 億個晶體管，但新的先進封裝平臺技術可以將其增加到 1 萬億個晶體管。該封裝中將采用集成穩壓器來處理供電問題，但他并未提及該技術何時商業化。

此外，張曉強還提到，臺積電3nm工藝很快就能應用于汽車。


臺積電頻頻布局

值得注意的是，去年以來，臺積電已頻頻傳出布局硅光及CPO的動向。

2023年9月曾有消息稱，臺積電正與博通、英偉達等大客戶聯手開發硅光及CPO光學元件等新品，最快2024年下半年開始迎來大單，2025年有望邁入放量產出階段。

彼時業內人士透露，臺積電未來有望將硅光技術導入CPU、GPU等運算制程當中，內部的電子傳輸線路更改為光傳輸，計算能力將是現有處理器的數十倍起跳。

而臺積電副總裁之前曾公開表示，如果能提供一個良好的“硅光整合系統”，就能解決能耗與AI運算能力兩大關鍵問題，“這會是一個新的典范轉移。我們可能處于一個新時代的開端。”

業內分析稱，高速資料傳輸目前仍采用可插拔光學元件，隨著傳輸速度快速進展并進入800G時代、未來更將迎來1.6T至3.2T等更高傳輸速率，功率損耗及散熱管理問題將會是最大難題。而半導體業界推出的解決方案，便是將硅光子光學元件及交換器ASIC，通過CPO封裝技術整合為單一模組，此方案已開始獲得微軟、Meta等大廠認證并采用在新一代網路架構。

國內硅光工藝平臺

要說開放硅光工藝平臺的話，國內也有，比如中科院微電子所的硅光子平臺、聯合微電子中心的硅光工藝平臺，除此之外中芯國際下的中芯集成電路（寧波）的光電集成業務中也有SOI異質光電集成，不過目前其工藝平臺支持似乎只有RFSOI和HVBCD，分別為射頻前端和高壓模擬。

與國外相比，國內的開放硅光工藝平臺在先進程度上要稍遜色一些，而且整體規模要小一些，以180nm/130nm和8英寸晶圓為主，但同工藝節點下的性能其實并不輸國外，而且國內的硅光設計公司已經開始嶄露頭角。

聯合微電子中心的硅光工藝平臺應該是國內發展最快的了，這家2018年成立的公司在不到4年的時間里，就已經提供了180nm的硅光成套工藝CSiP180AI，以及加入雙層銅互連技術的130nm工藝CSiP130Cu，同時還有300nm的碳化硅光電工藝CSiN300和3D異構集成工藝C3DS10。

同樣值得注意的是，原材料價格上漲帶來的漲價潮同樣影響到了硅光芯片，比如聯合微電子就在今年年初發布了漲價通知，表示由于掩膜版等原材料大幅上漲，將把SOI無源MPW的流片價格從4萬元/block提升至48000元/block。


未來面臨的挑戰

隨著摩爾定律逐漸遭遇天花板，硅光子技術的投入研發再次被重視，越來越多的科技公司開始加大對硅光子技術領域的研發投入。

尤其，在10nm后硅基CMOS摩爾定律開始失效，傳統集成電路、器件提升帶寬模式逼近極限。

相比之下，硅光技術有機結合了成熟微電子和光電子技術，既減小了芯片尺寸，降低成本、功耗、又提高了可靠性，成為“超越摩爾”的新技術路徑。面對硅光子技術的確定性發展趨勢，海內外巨頭公司瞄準硅光子技術新賽道。

據YOLE分析，硅光子在光收發器市場的份額預計到2027年可能會從目前的20％擴大到30％左右；用于消費者健康設備的硅光子學預計到2027年復合年增長率將達到30％，達到2.4億美元；用于人工智能和其他高端計算應用的光子處理器的復合年增長率將達到142％，達到2.44億美元。

相比之下，硅光子芯片封裝也面臨著困擾：芯片封裝是任何芯片的必經流程，關于硅光子的芯片封裝問題，這是目前行業的一大痛點。

因此，硅光芯片的封裝主要分為兩個部分：其一是光學部分的封裝，其二則是電學部分的封裝。

目前，從光學封裝角度來說，因為硅光芯片所采用的光的波長非常的小，跟光纖存在著不匹配的問題，與激光器也存在著同樣的問題。不匹配的問題就會導致耦合損耗比較大，這是硅光芯片封裝與傳統封裝相比最大的區別；用硅光做高速的器件，隨著性能的不斷提升，Pin的密度將會大幅度增加，這也會為封裝帶來很大的挑戰。

不難發現，作為下一代的半導體技術，其技術本身的起步已很早就開始，早在上世紀九十年代，就提出了有關的一些概念，是為了在芯片發展到物理極限后取而代之，以延續摩爾定律。

21世紀初開始，以Intel和IBM為首的企業與學術機構就開始重點發展硅芯片光學信號傳輸技術，期望有朝一日能用光通路取代芯片之間的數據電路；

不久前，臺積電宣布聯手英特爾押注硅光子芯片，加上近期又傳出蘋果在研究硅光子芯片的應用，硅光子芯片開始進入大眾視野。

放眼未來，伴隨著人工智能、物聯網發展，硅光子芯片在智能終端、大數據、超算等領域將發揮巨大作用，正是有著如此多的優勢和特點，在大數據、生命科學、激光武器等高端領域其作用不可替代。