盧超群：異構集成將推動半導體產業再戰下一個30年！

11月9日的「全球分銷與供應鏈領袖峰會」是分銷商、原廠與終端製造商一年一度的盛會，這是一場為電子行業高管、工程師、採購決策人員準備的殿堂級盛宴。

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全球CEO峰會已於11月8日舉行，匯聚國內外16位電子產業領袖、管理人員、設計精英及決策者共同探討未來技術趨勢與市場走向。

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盧博士不但用幾個不同硅時代的概念讓大家深入淺出地了解了異構集成，還用各種生動的例子，讓大家看到半導體技術能切實為人類生活和健康帶來的改變……

11月8日，全球最大的技術信息集團ASPENCORE在中國深圳舉辦全球CEO峰會。來自世界各地的行業領袖和技術大咖雲集深圳，探討人工智慧的衝擊與契機、物聯網路線圖、聯網標準之爭等熱門話題，並前瞻改變世界的未來技術。

鈺創科技（Etron Tech）首席執行官、董事長暨創始人、台灣半導體產業協會理事長盧超群博士（Nicky Lu）在會上發表了《新興指數型經濟成長：AI加成集成電路之新異構集成系統爆發威力》的演講。

盧超群博士為全球IC設計及半導體產業貢獻超過30年，1991年他獲選為國際電機電子學會榮譽會員（IEEE Fellow），1998年憑藉在高速動態記憶體設計的領先貢獻獲頒IEEE固態電路獎（IEEE Solid-State Circuits Award)，後於1999年當選美國國家工程學院院士。

盧博士認為，20世紀的硅科技革命奠定了21世紀的基礎，也正在引爆科技多元化的應用革命。比如人們常談的雲計算、大數據、機器學習和人工智慧，也包括與人類健康息息相關的創新基因工程。

半導體和基因工程的結合，對抗癌症。

盧博士表示，10年前人工智慧並沒有產生，而今天的出現是因為人類有了這樣的需求，在AI一切的多元應用中，半導體正扮演智能核心的角色。但很多預測顯示，關乎半導體動能的摩爾定律可能會在2025年終止。

半導體的第一個時代是硅1.0，摩爾先生曾說，每兩年在單位節點面積內增加1倍晶體管數量，每一節點現款微縮0.7倍，30微米至28納米工20節點，這就是十幾年來促進IC產業放量積極成長的功臣：指數摩爾定律。

然而硅1.0時代終止於28納米節點，然而從28納米節點以下，到今日半導體技術走到7納米世代，這段時間被稱為硅2.0世代。盧博士認為，在硅世代2.0要促成有效摩爾定律(Effective Moore』s Law Economy, EME)以維持經濟投資效益，主要依靠面積微縮法則（Area Scaling）。

英特爾率先在22納米上，把晶體管的排列由平放變成鰭型排列，並把控制晶體管流量的柵欄變大，也就是鰭式場效晶體管（FinFET）或是三閘極（Tri-Gate）晶體管。在FinFET工藝架構下，線寬微縮不用再做到0.7x，只要0.8x並達到面積縮小0.64即可達到同樣效果；在0.64和0.5之間減少微縮的面積，因為晶體管豎起來後，可以得到更有效地利用，以及豎立式所產生的3度空間來彌補，這樣的做法也可以讓一個單元面積上容納2個晶體管。

面積微縮明年將把半導體工藝帶入5納米。

而在硅3.0時代主要依賴體積微縮法則（Volumetric Scaling），是利用底部的面積加上封裝技術拉出一個3D空間，再回算成單位面積。通過這種做法，摩爾定律的精神再度被延續。

盧博士舉了個例子，當年鈺創和英特爾合作，做出了第一個堆疊晶元（如下圖），「就像我們到百貨公司坐的電扶梯，不需要等，大家都可以同時傳送，而另一堆疊像是電梯，必須等在外面，等人出來才能進去。所以按照這樣異構整合概念，鈺創是想讓大家買到不要封裝的內存，品質保證10年不壞。」

在一個非常小的封裝中，做多層的堆疊，目前市場需求很大的3D NAND就是運用此技術。

台積電(TSMC)為什麼能夠獨吃蘋果晶元代工訂單？秘訣就在他們的整合扇出式(InFO, Intergrated Fan-Out）封裝技術。下圖右邊是台積電用異質封裝整合出來的，左邊是大家現在做的，體積上的差距一目了然。

台積電所開發的InFO晶圓級封裝技術，讓得以用非常薄的層疊封裝(package-on-package，PoP)，結合大量的I/O焊墊以及為新一代iPhone 的應用處理器提供更佳的散熱管理。

InFO平台的重分布層(re-distributed layer)技術將硅晶元直接與PCB連結，不需要額外的基板；盧超群博士表示，台積電設計的直通互連通孔(Through Interconnect Via，TIV)能「利用混合性的垂直與水平互連技術，提供支柱以連結不同的晶元或零組件；」InFO證實了其短垂直連結與長水平之間的鏈路，能加速資訊傳輸。

盧博士深入淺出地舉了一個例子：「這就好比蓋房子，一棟4層樓高的公寓，公寓中間的位置有個方形迴廊，4邊都有樓梯爬上爬下，迴廊中心就是交換情報的地方。在這樣的設計架構下，做了3D堆疊，只不過只有堆4層，晶粒的面積會大一點，但換來扁一點的體積，這就是台積電的InFO封裝技術架構的奧妙。」

為什麼台積電的InFO設計，可以成功落實異質整合技術並延長摩爾定律的壽命？就像是在城區內有地鐵網路將各個節點互相連結，而城鄉間通過高速公路彼此溝通。這樣，通過橫縱兩個維度的交通網路，城鄉的溝通變得暢行無阻。蘋果和台積電的完美表現，完成了」Silicon Age 3.0「的任務，同時也為我們正在經歷的「Silicon4.0」時代暖場。

硅4.0時代：異構整合為摩爾定律續命

來到硅4.0時代，盧博士認為異構集成設計系統架構（HIDAS, Heterogeneous Integration Design Architecture System）將大量促進IC創新。比如系統級晶元將採用新的架構，使用多度空間布局各類晶粒，他推廣這個概念是因為半導體產業至少必須要脫離對工藝節點微縮的痴迷；為了取得成長動力，產業界必須以「不同技術的異質整合」來創新。

硅4.0時代的特徵是把不是半導體但是用硅製成的Nano System產品，藉由技術把周邊MEMS、鏡頭、感測器、生物感測器等都整合進來，不再用線性微縮去創造價值，而是讓終端產品的價值放大，是一種「功能X價值的微縮」概念。

「異構集成已成為21世紀系統級晶元的主流技術，未來30年就是硅4.0的時代，而鈺創科技作為3D晶元技術的領頭貢獻者，已在2000年生產和銷售內存無封裝晶粒（KGDM），迄今達1.8億顆。」盧博士說到。

IEEE在今年2月也推出了異構整合的路線圖（IEEE Heterogenous Integration Roadmap Symposium），盧博士表示，這將再延續類似摩爾定律的每兩年增加的經濟效應，全世界都在推動。

盧博士舉了很多個鈺創產品在IoT、VR/AR和自動駕駛中的應用，其中這個在外科手術中的例子讓小編印象深刻。醫生用無接觸操控技術進行肝臟腫瘤切除手術。如果在以前沒有AI視覺的情況下，手術完成後這個病人可能只剩十分之一的肝臟，而採用了這款3D影像方案動手術，病人能保存90%的肝臟。

由於外科醫生在手術中要戴手套和口罩，無法交流，所以手勢是最佳人機介面。由於內臟一直在蠕動，所以在給人體內臟開刀過程中，相當於每分鐘都要做GPS定位。（圖：鈺創）

又是一個跟醫學相關的例子，由盧超群博士的兒子——美國麻省理工大學（MIT）生物工程、電子工程與電腦科學副教授盧冠達(Timothy Lu)提供。盧冠達是美國麻省理工學院(MIT)的生物工程、電子工程與電腦科學副教授，也創立了一家合成生物學公司Senti Bio，這家新創公司在今年稍早的A輪募資中籌得5,300萬美元資金。

一顆能監測體內病變情況的晶元藥丸，首先在與人類基因最為相似的豬身上採用。下圖豬肚中暗紅色的位置就是胃潰瘍的出血點。盧超群表示，未來當病人吞下這種藥丸，它就會扮演在人體內收集資料以及提供情報的微型電腦。

「試想把蛋白質當作硬體，DNA則是在上面執行的軟體；」他指的是所謂的合成生物電路(synthetic biological circuits)，在細胞內的生物性元件被設計為執行模仿電子電路的邏輯功能。這也是盧冠達正專註研究的細胞療法。

（圖：www.cell.com）

最後盧博士曬出了一張圖，可以看出我們過去花了60年，終於在2017年讓IC產業1.0產值來到4200億美元（黃色部分）。而圖中綠色代表整合、系統、軟體、電路和晶元的2.0和3.0時代，以及藍色代表的異構集成（硅+非硅）4.0時代，令半導體產業的未來30年前景更加看好，加起來產值將超過一萬億美元。

「硅4.0世代就是要充分利用異質整合技術，結合半導體和應用系統終端技術，從而實現全球半導體產業的產值達到1萬億美元的目標——讓摩爾定律不死，工藝技術走到1納米的更高目標。」盧博士表示。

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