三维异构系统集成 — 技术创新引领芯片性能时代

2022年7月5日，苏州金鸡湖畔，在由《半导体芯科技》杂志社主办的《第十届晶芯研讨会---拓展摩尔定律：先进半导体制造与封装技术协同发展大会》上，芯盟科技资深副总裁洪齐元先生做了名为《三维异构系统集成 — 技术创新引领芯片性能时代》的演讲。在演讲中，洪先生向与会嘉宾介绍了芯盟科技、HITOC™技术及其芯盟三维异构系统集成业务的最新进展。

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芯盟科技独有的HITOC™技术

近年来随着集成电路各维度发展的技术和成本限制，沿着摩尔定律前进的道路愈发崎岖，CPU的频率和性能提升幅度变小，DRAM在现有架构下也很难向极致的先进工艺节点步进。内存墙、功耗墙，以及先进工艺制程的限制愈发成为痛点。而芯盟科技独有的HITOC™（Heterogeneous Integration Technology on Chip）技术，使摩尔定律在三维结构上得以延续，从而引领三维芯片这一全新赛道。

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芯盟科技的HITOC™技术区别于传统的先进封装，其运用先进的混合键合（Hybrid bonding）集成电路制造工艺技术，将不同类型、不同结构甚至不同工艺节点的芯片集成为一体。最典型的应用场景就是将多功能SOC芯片与分布式DRAM芯片上下集成为一块超高性能单芯片，相比传统SOC外接 DDR以及使用基于HBM的2.5D先进封装方式，HITOC™技术极大的增加了连线密度和数量，省去了PHY接口并大大缩短了连线长度，从而可以显著地减少系统功耗和面积，大大提高存储带宽，进而打通内存瓶颈，使芯片系统整体运算性能大大增强。

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HITOC™技术主要有Wafer-on-Wafer（晶圆对晶圆）、和Die-on-Wafer（芯片对晶圆）两种技术路线。

以逻辑晶圆对DRAM晶圆为例，经过芯片设计和工艺的集成整合，通过Hybrid Bonding（混合键合）将逻辑晶圆和DRAM晶圆连在一起之后，经减薄，做硅通孔金属引出，再进行切割封装之后，与单芯片没有不同。芯片对晶圆技术则是通过将切割筛选出的不同芯片键合堆叠在另一晶圆上，然后通过注塑、减薄、硅穿孔、金属线引出等工艺来实现高性能复杂芯片系统。晶圆对晶圆技术的芯片产品已经非常成熟并已在大规模量产中。多片晶圆对晶圆和芯片对晶圆堆叠技术研发也将在今年年底基本完成。

早在2020年9月，芯盟科技就发布了全球第一款基于HITOC™架构的高性能存算一体AI芯片- SUNRISE，此芯片目前已成功应用于晶圆厂生产线智能缺陷分类系统领域。在今年6月的中国国际半导体技术大会(CSTIC) 2022上，芯盟科技CEO洪沨博士发布了基于HITOC™技术的全球首款VCAT 3D 4F² DRAM架构。由此可见，芯盟科技已经在多个应用维度上，创新性的运用HITOC™技术，引领芯片产品向真正的三维架构变革。

芯盟科技的三维异构系统集成业务

三维异构系统集成是芯盟科技的一大核心业务，旨在为客户在大算力、高带宽、低功耗等产品领域提供一整套三维异构系统集成服务，以提升产品价值。

芯盟的SOH™（System On HITOC™）系统集成解决方案，可以覆盖芯片从设计到量产所需的全流程，以帮助客户完成三维异构集成芯片设计及系统整合，包括异构集成技术的设计咨询服务、基于异构集成技术的芯片架构/DFT/中后段解决方案、晶圆/芯片级混合键合的设计和制造解决方案，以及相关IP的开发和授权业务。

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参照上图以Logic + DRAM的三维集成为例：

从芯片设计架构，依次到RTL、Netlist以及后端设计启动，便分别开始Logic、DRAM、混合键合三部分的设计和 GDS的产生，再到Logic和DRAM Fab流片，到Hybrid Bonding Fab键合生产，最终封装测试后交付给客户验收。在整个流程当中，芯盟科技可以为客户提供基于HITOC™技术的整套集成设计服务，包含芯片架构、设计、可测性、后端服务以及热仿模型解决方案；同时也可以提供两片到多片晶圆间的混合键合设计和制造解决方案、HITOC™系统封装测试、先进制造及设计咨询和培训等细分服务。当然，芯盟科技也可以提供Logic + DRAM、Logic + Logic以及Logic + SRAM等不同堆叠形式产品的设计服务和产能预定和相关流片服务。

作为三维芯片的重要组成部分，芯盟科技同时可以提供相关的IP开发和授权服务，例如，VHM（Versatile HITOC™ Memory）、HDC（HITOC™ DRAM Controller）以及Backside TSV、TSV、SRAM等IP，其他更多重量级IP的三维化同时正在进行中，后续也将陆续提供给客户。

芯盟科技的三维异构系统集成产业生态已经非常成熟，可以为客户提供成熟的HITOC™ 3D Design Kit 、Work Flow、方法学及参考设计文档。芯盟科技有成熟稳定的混合键合 Fab资源，以及逻辑晶圆和特别可定制化的DRAM 晶圆资源，以满足客户从工程验证3D芯片架构到大规模量产的各种需求。