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生活中不论是手机、计算机还是资料中心的服务器，其中的数据都仰赖半导体芯片进行运算，过去十几年芯片效能都靠着半导体制程的改进而成长：透过更先进的制造工艺，在相同单位面积的芯片上刻置入更多的晶体管，借此在体积不增加的前提下提升芯片的效能与功耗表现。 当半导体先进制程迈入 7奈米(nm) ，展望 5nm ，晶体管大小不断接近原子的物理体积限制，电子及物理的限制也让先进制程的持续微缩与升级难度越来越高，而为了要跳脱瓶颈，投资在研发的成本也随之呈跳跃式的成长，使得芯片的效能陷入成长趋缓的态势，许多分析师甚至因此认定半导体业不久即将面临成长瓶颈，过去被认为坚不可摧的「摩尔定律」也即将告终。 事实上，业界早已转向寻找其他的可能性，解决办法就是从芯片的布局设计着手，例如将原先单层的芯片朝向多层芯片堆栈发展，也就是广义上的「3D 芯片设计」，例如英特尔（Intel）便发展出「Foveros 架构」：将 CPU 、 GPU 、存储器以及连接界面进行三维堆栈，能更有效率利用空间，让芯片在同样的效能下，有更小的体积并消耗更少的电力。 另一方面，台积电也在今年完成了首颗 3D 芯片的封装作业── 长远而言，发展多维度的芯片设计架构已经成为趋势，全球半导体产业致力寻找后摩尔定律时代的突破口，而除了单纯从平面到3D的芯片设计，产业界也正积极从其他方式着手提升芯片效能，其中「异质整合路线图（Heterogeneous Integration Roadmap）」是最受关注的一项发展方向，下面就跟随语音芯片厂家九芯电子的脚步来了解一下什么异质整合技术？ 异质整合技术：从同质多芯片到异质多芯片封装 所谓的「异质整合（Heterogeneous Integration）」，定义上是透过 2.5D 及 3D 等多维度空间设计，将多个不同性质的电子元件整合进单系统级封装中（System in Package, SiP），不像过去封装个别的晶粒而成单一功能的IC，当「异质整合」成为产业技术的主流趋势，封装范围已不仅限个别晶粒（Die），还包括微机电系统（MEMS）、被动元件、独立芯片及多项电子系统，成品为一个具体而微的多功能高阶芯片。 举个例子，高通的骁龙行动处理器（Snapdragon）是一种系统单晶片（System on Chip, SoC），以 2D 或是 2.5 D 的架构整合了多项数位微处理器，象是 CPU 、 GPU 、 RAM 以及 Modem ，成功缩小芯片组的体积，达到智能型手机对体积的严苛要求，但整合范围仅限同性质的数位讯号芯片，单一芯片仅有数位运算功能。 「异质整合」则进一步扩大整合的范围：除了数位讯号芯片，还将封装范围延伸到不同性质的类比芯片与微电子系统，包含光源传感器、微机电麦克风、射频天线、生物传感器等芯片元件都被包进同一个封装单位，让单一芯片本身便具有运算、光感测、收音、录音、通讯与生物辨识等多项功能。 赋予单一芯片多功能与体积优势 为何异质整合特别？ 智能型手机为因应消费者需求需同时具备多项功能，因此需要大面积的主机板连结多个芯片，才能组成一支正常运作的手机，而整个主机板就占据手机 40% 以上的面积，导致智能型手机的尺寸很难再趋轻薄短小。 透过「异质整合」，不须透过主机板连接多项电子元件，多种不同性质的元件都能被封装成「单一芯片」，不但能缩减大量的体积，还能依照不同应用场域的需求扩充芯片的功能，例如同时将数位芯片、类比芯片、传感器以及天线等异质元件透过整合成为单一芯片，这个集合芯片能独立执行多项功能，芯片之间的物理距离减少也会降低讯号传输的耗电量与延迟时间，一次满足省电节能与效率提升的需求。 一般而言，科技产业向来是「商业应用」带动「硬件发展」，随着数据时代来临， 5G、物联网、量子计算机、人工智能等科技应用正推高运算效能的门槛，除了满足数据的采集、分析与运算的需求之外，芯片设计上也必须依据领域不同而提高调整弹性。 举例来说，物联网芯片的工作环境复杂，需要在各式各样难以维护的环境下长时间运作，必须使用多功能且高效能的芯片进行数据采集与边缘计算，低功耗以及通讯的稳定度这时就显得相当重要，如果芯片设计公司可以透过精进「异质整合技术」，成功在维持高良率的前提下整合多项不同芯片来扩充单一芯片功能，便能打造出体积小、效能高、在各种场景的终端应用皆能发挥强大功能的单一芯片。 步入后摩尔定律时代，未来半导体产业不只追求制程上的持续微缩，，更在体积、耗能与数据运算架构的设计上都需要进一步的突破，而「异质整合技术」正带领着产业探索芯片架构、运算效率，以及负载功能的全新可能性。 随摩尔定律推进即将放缓，异质整合技术将带领半导体产业迈入下一个成长高峰，今年 SEMICON Taiwan 国际半导体展从IC设计、存储器、先进封装、材料及先进测试等多元面向，规划一系列主题展区及活动，带你了解最全面的异质整合技术趋势。除「异质整合创新技术馆」有日月光等半导体领导大厂展出最新异质整合技术应用外，年度最重要半导体先进封装技术论坛—「SiP 系统级封测国际高峰论坛」，以及首次在中国台湾举办的「SMC 策略材料论坛」将陆续登场，探讨异质整合的先进封装型态如何驱动更强大的5G及AI多元应用，以及新兴材料将在半导体制程愈来愈复杂的今天扮演什么样的重要角色。
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