提升運算效能　處理器業者擁抱3D IC

近期智慧型手機又更有進一步的新發展，如美國CTIA無線通訊科技展中，宏達電新機HTC EVO 3D正式問世。該智慧型手機為宏達電首款採用高通(Qualcomm)1.2GHz處理器，並具備裸視三維(3D)影像的Android 2.3作業系統手機，配備五百萬畫素3D雙鏡頭，以及一百三十萬畫素前視訊鏡頭，支援720p高畫質3D和2D影片錄製。

無獨有偶，韓系手機大廠樂金(LG)與三星(Samsung)也陸續發表支援裸視3D的智慧型手機。樂金Optimus 3D不僅讓使用者可拍攝3D影片並以裸視方式觀賞，還提供的完整3D體驗，涵蓋3D錄影、3D影像觀賞與內容分享。三星W960則配備主動矩陣式有機發光二極體(AMOLED)3D顯示器，解析度可達240×400畫素，並內建2D、3D轉換模式。

除了裸視3D外，擴增實境(AR)亦為下一波手機內建的創新功能；隨著智慧型手機等行動裝置納入越來越多的功能，同時既有功能規格也不斷提升，處理器的處理速度亦須不斷精進，才能符合市場的需求。

3D IC助攻　行動處理器效能再上層樓

有鑑於行動裝置內建的功能不斷增加，應用處理器(AP)的效能亦須不斷提高，行動裝置處理器大廠包括高通、德州儀器(TI)、意法易立信(ST-Ericsson)等已開始關注三維晶片(3D IC)技術，以期透過3D IC架構在處理器上增加更多記憶體容量，進一步提升處理器效能。而處理器業者的關注，也讓3D IC的發展道路更加清晰。

圖1　右起為工業技術研究院資訊與通訊研究所設計自動化技術組技術組長蒯定明、技術組長周永發

工業技術研究院資訊與通訊研究所設計自動化技術組技術組長蒯定明(圖1右)表示，提高處理器效能的最主要的方式即增加記憶體深度，因此現階段行動處理器業者多以系統封裝(SiP)的方式將處理器與快閃記憶體(Flash Memory)整合，不過，這種設計方式，處理器速度最多僅能達到1.5GHz，若要進一步突破處理器效能，則須改以堆疊動態隨機存取記憶體(DRAM)的設計方式，因此處理器廠商已開始朝此方向邁進。

雖然用SiP技術亦可達成處理器堆疊DRAM的設計，但其效果將不若採3D IC架構的方案。蒯定明解釋，SiP是將要整合的晶片封裝後，再從封裝後的晶片旁邊打線連接到外部，此一方式的連接效能會受到連外打線延遲影響；若採用3D IC架構，晶片間的聯繫，與對外聯絡都可以直接透過晶片上的打線，可順利解決SiP的問題。由於3D IC具備的優勢較SiP佳，因此處理器廠商已開始重視3D IC技術，並積極投入研發，對3D IC的發展而言將是很大的助力。

另一方面，主導DRAM的標準協會JEDEC提出的Wide I/O新規範中，開宗明義表示該規範除了在DRAM上採用五百一十二根I/O接腳外，並強調支援3D IC架構。工業技術研究院資訊與通訊研究所設計自動化技術組技術組長周永發(圖1左)指出，如此一來，行動裝置處理器廠商若要導入DRAM以提高處理器整體效能，未來將不得不採用3D IC技術，這也是讓處理廠商開始重視3D IC的主要因素。

蒯定明補充，JEDEC所提的新規範目前仍為草案階段，預計2012年底定，預期未來DDR4也可能採用。

嚴格來說，目前僅記憶體已正式導入3D IC技術，相關業者如三星、爾必達(Elpida)均積極研發3D IC技術，但伴隨行動裝置對於處理器效能與尺寸的要求越來越嚴苛，目前包括高通、意法易立信、德州儀器和輝達(NVIDIA)皆已積極發展3D IC架構，甚至聯發科也相當關心3D IC技術的進展。蒯定明認為，在處理器業者的努力下，即使未來3D IC不會成為各種晶片產品必然採用的技術，但對其整體的發展仍將有相當大的推動力。

SoC先進製程挑戰嚴峻　安謀國際關注3D IC發展

圖2　安謀國際策略行銷處長Ron Mooire表示，3D IC與SoC將並行發展，不會有取代效應發生。

受到行動裝置在外型尺寸上的持續輕薄化，以及更多元功能的發展，處理器廠商已開始進行更高整合度產品的研發，而提高處理器效能其中一種方法即為半導體先進製程技術。安謀國際(ARM)策略行銷處長Ron Mooire(圖2)表示，雖然系統單晶片(SoC)在每個製程世代的演進中皆可持續縮小15%的晶片尺寸，但在低功耗與高速處理速度上將面臨極大的技術門檻，因此許多廠商開始關注3D IC架構的研發，如台積電、三星與全球晶圓(GlobalFoundries)等。

3D IC可異質整合更多種類的晶片，因此行動裝置業者冀望透過處理器整合更多的DRAM，來提升效能。Mooire指出，由於摩爾定律已走到瓶頸，再加上SiP技術封裝元件的效能有限，因此行動裝置主處理器業者在多方考量下，即便未來仍將持續走到14奈米製程，但3D IC將是其產品下一階段另一重要發展技術。

據了解，目前高通與德州儀器仍是採用SiP技術封裝處理器與記憶體，預期未來將採用3D IC架構。

安謀國際身為行動處理器矽智財(IP)龍頭業者，亦積極協助處理器廠商不斷透過SoC或3D IC等技術提升效能。Mooire認為，雖然安謀國際僅為IP廠商，看似與實際的晶片產品無直接關係，但安謀國際在IP核心架構中結合處理器、繪圖處理器(GPU)與記憶體的子系統(Sub-system)，已就3D IC技術所需進行微調，並與晶圓廠維持密切的合作，進行3D IC的測試，因此安謀國際的合作夥伴中，第一級(Tier One)處理器業者已計畫採用3D IC的架構。

Mooire並強調，未來無論是手機或平板裝置(Tablet Device)等行動裝置，甚至個人電腦(PC)都會日趨輕薄，因此3D IC將更有機會被採納。

SiP當跳板　創意電子前進3D IC

看準未來3D IC將是半導體產業勢在必行的發展趨勢，創意電子正積極透過SiP技術的基礎，進一步跨進3D IC技術的研發。由於3D IC發展過程中遇到的挑戰與SiP大致類似，因此創意電子在SoC與SiP所累積的豐富經驗，無疑成為其挺進3D IC市場最佳的技術後盾。

圖3　創意電子營運處SiP/3D IC專案處長林崇銘表示，由於3D IC的業務正在發展，目前該公司仍以SoC與SiP為主要營收來源。

創意電子營運處SiP/3D IC專案處長林崇銘(圖3)表示，未來印刷電路板面積將持續縮減，晶片設計勢必走向更高整合度，所以半導體業者必須藉由3D IC堆疊晶片技術來減少採用的晶片數量；而發展3D IC所面臨的問題，如半導體設計自動化(EDA)工具不完備，以及如何確保已知良裸晶(Known Good Die)來源等，其實與SiP極為相似，且更加複雜，因此，若無扎實的SiP技術發展基石，則遑論3D IC的研發。

林崇銘進一步指出，雖然3D IC的問題較SiP複雜許多，但是憑藉創意電子在SiP設計領域打下的深厚基礎，將可順利解決3D IC技術面所遭遇的挑戰，這也是創意電子毅然決定跨入3D IC的重要因素。

目前創意電子在3D IC的發展尚在起步階段，林崇銘表示，現階段創意電子業務來源仍以SoC與SiP為主，3D IC技術仍未有客戶，預期2013年，3D IC整體生態鏈的建構更完備、市場更成熟之後，創意電子3D IC的業務才會開始起飛，屆時將鎖定行動裝置與高效能元件市場，初步將先整合邏輯與記憶體，或邏輯與類比元件，抑或邏輯元件堆疊。在此之前，創意電子也將先建立2.5D晶片堆疊技術，以順利升級至3D IC。

事實上，目前阻礙業者導入3D IC的一大因素，在於成本過高。林崇銘認為，現階段，3D IC整體供應鏈尚未建置完全是不爭的事實，導致3D IC成本過高，不過，此一雞生蛋、蛋生雞的問題，預計短時間內將可順利解決，原因在於半導體業者對於3D堆疊技術需求已逐漸湧現，不論是採用矽穿孔(TSV)技術實現的3D IC，或英特爾提出的三閘極(Tri-gate)3D電晶體結構，皆已漸成氣候，意味相關供應鏈亦已有初步的準備，因此未來3D IC的發展與生態系統將可望更趨完備。

晶圓代工廠技術掌握度高

3D IC儼然已成為未來超越摩爾定律的重要技術，因而吸引包括晶圓代工廠及封裝廠紛紛搶進。然而，由於矽穿孔技術在晶圓製造前段即須進行，因此晶圓代工廠掌握的技術層級較封裝廠高，在3D IC的技術與市場發展較具優勢。

圖4　南台科技大學電子系教授唐經洲表示，晶圓廠商與封裝廠商在晶片立體堆疊領域各有所長。

南台科技大學電子系教授唐經洲(圖4)表示，矽穿孔為3D IC最重要的技術，採用矽穿孔技術的晶片產品才能稱為3D IC，而要進行矽穿孔，較佳的方式是在矽晶圓製造過程中即先行鑽孔，如此一來，遭遇的問題將較少，而晶圓前段製程各項技術屬晶圓廠最為熟知，自然晶圓廠商在3D IC的製造可掌握較多關鍵技術。

不過，對封裝業者而言，3D IC自然也是不可忽略的商機。唐經洲指出，3D IC屬於SiP技術的一環，擅於將各式晶圓進行封裝工作的封裝廠，亦躍躍欲試。然而，礙於封裝廠的技術多屬於晶圓後段製程，若要取得已經過矽穿孔的晶圓半成品，依舊須從晶圓廠購得，抑或者再投入龐大的資金建置前段製程，惟目前3D IC發展尚未相當明朗，封裝業者對於龐大的投資能否達到平衡或進一步回收，仍抱持觀望態度，以致於封裝業者在3D IC市場的主導性不若晶圓廠。

雖然目前封裝廠在3D IC市場優勢較為薄弱，但並不代表封裝廠在晶片立體堆疊的市場將完全沒有機會。唐經洲認為，3D IC矽穿孔技術畢竟技術門檻仍相當高，成本依然高昂，因此許多對3D IC有興趣的業者，如應用處理器大廠，即先選擇採用2.5D架構，作為進入3D IC的基礎。唐經洲強調，2.5D架構僅純粹的晶片堆疊，毋須矽穿孔，因此技術難度相對較低，封裝廠可掌握2.5D封裝的關鍵技術，因此現階段封裝廠包括日月光、矽品皆已投入2.5D封裝技術的發展。

專門提供IC製造設備的住程(SPTS)行銷副總裁David Butler亦表示，就該公司客戶的發展情形來看，2.5D將是半導體產業前進3D IC架構的第一步，包括封測業者與晶圓代工業者目前研發重點皆以2.5D為主，並計畫以此為基礎發展3D IC。

3D IC發展仍有挑戰待解

觀察整體半導體產業的發展，2011年第三季旺季不旺已成必然，但第四季與2012年，隨著微軟(Microsoft)Windows 7行動裝置產品的問世與超微(AMD)試圖將x86技術進行新的應用，如透過40或28奈米實現更低功耗晶片，以及Windows 8將可支援安謀國際、英特爾與超微架構，這些非蘋果(Apple)陣營行動裝置新一波的市場高潮，將更帶動整體半導體產業的發展，除了促進SoC加速朝先進製程發展外，3D IC將是另一個受惠的技術。

圖5　惠瑞捷台灣分公司總經理陳瑞銘表示，良率與合理的成本皆為3D IC市場起飛的關鍵。

惠瑞捷(Verigy)台灣分公司總經理陳瑞銘(圖5)表示，3D IC受到矚目的原因，除了可提高整合度與處理器效能外，更重要的是，毋須透過最先進的製程即可完成，因此主要的晶圓廠與行動處理器廠商勢必進入3D IC的研發。

不過，3D IC矽穿孔技術卻也帶來許多挑戰，陳瑞銘指出，矽穿孔技術仍在初步發展階段，技術品質仍不穩定，且磨薄晶圓的技術門檻也很大，加上產業生態鏈未建立完全，也沒有統一的標準可供業者遵循。此外，如何測試3D IC品質亦為一大學問，因此3D IC的市場尚未全面啟動，反而是利用在基板上長晶、毋須鑽孔的2.5D技術將成為SiP進展到3D IC的過渡技術。此外，2.5D亦已標準化，以此標準為基礎也將加速3D IC標準的問世。

除了技術的挑戰外，成本亦為3D IC發展不順遂的原因。蒯定明指出，由於目前3D IC產業鏈並未建置完全，因此3D IC的成本仍然相當高昂，導致3D IC將不會成為普遍使用的晶片技術，且應用產品也將鎖定於對高成本元件接受度較大的高階產品。

綜上所述，行動裝置無疑是助長3D IC發展的主要推手，即便仍有諸多挑戰待解，3D IC市場起飛已指日可待。日前剛結束的SEMICON Taiwan中，日月光集團總經理暨研發長唐和明即表示，3D IC將是後PC時代，亦即行動運算時代的主流，即使全球經濟發展速度減緩，各廠推動研發腳步並不停歇。今年以來從上游IC設計、整合元件製造商(IDM)、晶圓代工廠，到後段封測廠及系統整合廠商，都朝制定邏輯IC和記憶體連結的共同標準邁進，2011年底即可看到成果，並做為業者開發的依據，預計2013年將為3D IC起飛元年。