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“深耕科技前沿动态，解读科技背后真相，瞄准科技产品评测”
第1章异构集成路线图：未来系统的驱动力和使能技术
1.1愿景
异构集成路线图（HIR）为电子行业提供了一个长期的愿景，确定了未来的困难挑战和潜在的解决方案。该路线图为专业人员，行业，学术界和研究机构提供了有关未来15年电子行业发展的前景和战略技术要求的全面视图，并为新兴设备和新兴材料的异构集成提供了25年的愿景与研发目标。目的是激发创新活力，加强合作，从而加快发展。
HIR团队由22个技术工作组组成，代表了电子生态系统的交互复杂性。这是一项志愿者活动，吸引了来自各行各业、学术界和研究机构的重要专家和专业人士。HIR由三个IEEE协会（电子封装协会、电子器件协会和光子学协会）、SEMI（国际半导体产业协会）和ASMEEPPD（美国机械工程师协会）赞助，代表了全球电子行业的广泛领域。
1.2序言
年是人类登陆月球50周年，年5月美国总统约翰·肯尼迪在莱斯大学首次公开提出的倡议，在那次激动人心的演讲中，他宣布，“我们选择在这个十年去月球，不是因为他们很容易，而是因为它们困难，因为这个挑战是我们愿意接受的我们不愿意推迟……”
在那个十年结束之前，也就是年7月14日，人类通过阿波罗11号登陆月球。当尼尔·阿姆斯特朗走下登月舱时，他的同伴巴兹·阿德林紧随其后，说：“这是一个人的一小步，却是人类的一大步。”
不可否认，登月是一项巨大的工程和科学成就，只有通过许多技术创新和人类独创性的奇迹才有可能实现。尤其是在设计阿波罗登月舱计算机中所涉及的电子和半导体的创新和创造。
年对电子工业来说是激动人心的一年。对于半导体公司来说，集成电路（ICs）是由德州仪器公司的杰克·基尔比和仙童摄影器材公司（FairchildCamera）公司的罗伯特·诺伊斯在几年前发明的。NASA和计算机公司都在问自己：我们何时以及如何采用这种新发明的集成电路，用供应、质量和可靠性问题来权衡性能优势和新技术风险?美国国家航空航天局与麻省理工学院仪器实验室（后来命名为德雷珀实验室）进行了一项全面的研究，以确定阿波罗登月舱计算机采用哪种技术。年11月，麻省理工学院仪器实验室的埃尔登·霍尔向美国宇航局阿波罗计划办公室的查尔斯·弗里斯克提交了一份报告，建议继续进行集成电路。仙童、德州仪器和摩托罗拉都是集成电路供应商。
我们不知道当时在仙童半导体部门工作的戈登·摩尔（GordonMoore）在多大程度上参与了美国宇航局的阿波罗（Apollo）研究，也不知道仙童在美国宇航局的业务。我们所知道的是，当他在年4月19日发表Electronics的论文“CrammingMoreComponentsontoIntegratedCircuits”时，他的目光远远超出了军事和太空市场。他用令人难忘的卡通漫画清楚地描绘了他的市场视野，该漫画展示了家用计算机是通过支撑在“概念”和“化妆品”柜台之间的柜台直接卖给百货商店客户的，并且那时大型计算机还刚发展到房间大小且安装在空调房中，大多只在银行和政府机构内部使用。（注：IBM于年6月推出了大型机系统）。
图1-1漫画从摩尔的文章说明他的市场视野
在他论文的后一部分，题为“清算之日”，他以一个非常有预见性的声明总结道：“用较小的功能模块构建大型系统可能被证明是更经济的，这些功能是分开打包和相互连接的。”大功能的可用性，结合功能设计和构造，应该允许大规模系统的制造商设计和构造相当多种类的设备，既快速又经济。显然，在那时，他就预见了面向消费者的家用电脑市场，以及未来对异构集成（HI）的需求。年电子行业收入为2.万亿美元，其中44%的消费支出符合戈登摩尔的预期。
1.3中断和改变
自从集成电路发明以来，已经有50多年了。自年《国际半导体技术路线图》（ITRS）发布以来，它一直是行业进步的路标，预测技术进步遵循摩尔定律的节奏。虽然在设计和工艺技术方面的重大创新继续推动着先进节点的发展，但摩尔定律的经济学属性显然正趋于稳定。以下是JohnHennessy在年7月的电子复兴计划峰会（ERISummit）上展示的两张图表。左边的图表显示了40年的DRAM容量和密度的下降，而右边的图表显示了40年的计算性能，近年来趋于稳定。
图1-2DREM容量计算性能随时间的变化
图1-3高级节点的成本增加
如图1-3所示，是LisaSu于年7月9日在SEMICONWest的主题演讲中的一个图表，展示了先进节点晶圆的成本继续增加。SIA（美国半导体产业协会）于年7月关闭了ITRS（国际半导体技术路线图），结束了ITRS时代。但是，我们现在处于一个新的世界秩序中，出现了我们以前从未想象过的变化和混乱，对路线规划的需求从未如此明确。随着推动社交媒体、云计算、搜索、在线商务和大数据的技术公司不断崛起，商业环境正在经历巨大的变化，这导致了集成的软硬件驱动应用程序和前所未有的应用空间增长。
图1-4列出了年和年市值最大的10家上市公司。尽管年的榜单中只有一家科技公司，但年的榜单中，前四名（前10名中的7名）都是科技公司，这标志着向数字时代的强大转型。
科技公司的崛起和由此带来的颠覆意味着一个三重拐点，包括摩尔定律经济学的停滞不前，数字数据爆炸性增长以及5G和人工智能的到来。需要持续的进步，这需要一个不同阶段的电子创新。
图1-4科技公司的崛起（资料来源：《经济学人》）
年3月，美国半导体行业协会和美国半导体研究公司（SRC）联合发布了一份题为《半导体研究机会：行业愿景与指南》的报告。报告称：“前进的道路不像摩尔定律时代那样清晰。然而，存在巨大的经济和社会效益潜力——有些是可以预见的，有些还有待想象……在这个关键时刻，进步需要工业、政府和学术界……在从基础科学研究到商业应用等一系列必要活动中发挥关键作用。”
异构集成路线图（HIR）致力于拥抱创新，促进合作，加速微电子市场的发展。目的是为电子行业提供一个长期的愿景，确定未来的困难挑战，并提出潜在的解决方案。该路线图为专业人士、工业界、学术界和研究机构提供了对未来15年电子行业发展的全面前景和技术需求的战略预测。它还提供了一个25年的愿景，异构集成的新兴设备和新材料的研发时间更长。目标是刺激创新，加强合作，从而加快发展的步伐。
电子产品已深深嵌入我们的社会结构，改变了我们的生活、工作和娱乐方式，同时为我们的全球生活方式、工业和商业带来了新的效率。我们正在进入数字经济和无数连接的时代，推动数据增长的市场力量包括：
六大主要市场如图1-5所示。
图1-5由AI，VR和AR支撑的六个应用空间（来源：AS）
1.4异构集成路线图
异构集成是指将单独制造的组件集成到更高级别的封装中（系统级封装—SiP），总体上提供增强的功能和改进的操作特性。在这个定义中，部件应该被理解为任何单位，无论是单个的芯片，MEMS设备，无源元件和单一封装或子系统，被集成到一个单独的封装。还应该从广义上理解操作特征，包括系统级性能和拥有成本等特征。（资料来源：ITRS组装和封装章节。）
图1-6异构集成和系统级封装（资料来源：ASE）
通过SiP实现的异构集成自然遵循了从概念上构建大型、复杂系统的愿景，这些系统由单独打包的较小功能构成，戈登摩尔（GordonMoore）在年的论文中描述了这一点。异质及相关集成影响深远，可能与材料、组件类型、电路类型、制程节点、互连方法有关。现在有很多通过SiP实现异构集成的例子。
异构集成是未来的关键技术方向。它是开启一个技术和科学进步的新时代的“唾手可得的果实”，可以继续并补充摩尔定律在遥远未来的进展。封装——从系统封装到设备封装——将成为这一巨大进步的先锋。
异构集成路线图被设计成一个系统应用程序驱动的路线图，混合了整个电子生态系统中市场拉动和技术推动的二元性。我们认识到，未来的技术进步将由响应市场应用和系统集成的进步驱动，因此我们确定了六个市场应用领域，它们是异构集成路线图的主要技术驱动因素。它们是：
我们试图回答的关键问题是，电子系统的基础是什么?在这些基本构建块中，需要哪些集成技术进展才能使系统集成保持在正轨上?
我们设想的构建模块是：
最后，我们确定了异构集成的三个主要技术领域：
总的来说，异构集成路线图包含23章，包括摘要。
1.5亮点：异构集成应用
（1）目前生产的是基于硅转接板集成的先进制程下的ASICs和高带宽存储器（HBM）栈。下面的例子（图1-7）是AMD公司的FijiGPU，其中包含4个高带宽存储器，在年首次在ASE的游戏应用中采用。
图1-7AMD的FijiGPU-HBM硅转接板2.5D封装（资料来源：ASE）
（2）英特尔的嵌入式多模互连桥（EMIB）技术已经应用到芯片应用中，其中硅基桥被用来将多个模块紧密地连接在有机衬底上。不同制程或来自不同公司的组件可以在一个SiP中混合集成在一起。图1-8显示的是Intel的AgilexFPGA组件封装在一个芯片中。
图1-8IntelAgilexFPGA芯片应用（来源：英特尔）
在高级制程中，芯片成品率随晶圆尺寸成指数下降。首先由Xilinx在一个硅转接器上演示，将一个大的单片集成电路分割成更小的关联芯片，这种方案现在正在被认真考虑和执行。与此同时，每单位面积的晶圆成本也在不断提高。正如第8章（单芯片和多芯片封装）所报道的，下面是两代AMDEPYC服务器处理器（图1-9）。左边的大型单片芯片已经被分割成四个紧密耦合的芯片（为了更好的产量），使用有机基板上的同质集成。右边是两组7纳米晶片，在大的14纳米I/O芯片的两边，使用异构集成优化了单位面积的晶圆成本。
图1-9AMDEPYC服务器处理器（来源：AMD）
（3）芯片项目是美国国防部高级研究计划局电子复兴计划（ERI）的重要组成部分，帮助驱动异构集成。CHIPS代表通用异构集成和知识产权复用策略程序。愿景是一个由离散的模块化IP块组成的生态系统，使用现有和新兴的集成技术将其组装成一个系统。这将在第21章（SiP和模块）和第6章（航空航天和国防）中进行描述。该计划的最新更新可能会在年的ERI会议上公布。在第6章中可找到更多资料。
图1-10DARPA的芯片项目（资料来源：DRAPA）
（4）智能手机行业已经成为基于SiP的异构集成技术的早期使用者，这主要是由于其在小型化、协同设计的模块化和增强的迭代性能方面的优势，在第7章中进行了广泛讨论。应用程序处理器几乎总是用最先进的制程，封装在一个（PoP）单元中，内存组件堆叠在这个ASIC上。以下是三款高端智能手机——苹果XS、三星GalaxyS9+和华为20Pro的PoP封装拆解图。它们分别是晶圆级扇出（TSMCINFO）、面板级扇出（ePLP）和高级高带宽倒装芯片PoP（麒麟）。
苹果A12处理器
三星EXYNOS
华为海思麒麟
图1-11三个采用PoP封装的智能手机拆解图
（资料来源：PrismakPartnersBingahmton大学）
（5）在第23章（WLP扇入和扇出）中，我们有两个扇出技术的例子。如图1-12所示是一个带有两个紧贴小芯片的扇出型芯片。
图1-12扇出技术示例
（6）将这种扇出和堆叠的概念更进一步，使用一种称为3D多堆叠（MUST）系统集成技术的先进结构，可以将多个SoC芯片和存储器合并到一个多层堆叠结构中。在年ECTC会议上，台积电在一篇论文中描述了这种3D-MiM（3DMUSTinMUST）扇出封装形式。
图1-13扇出多堆栈集成（TSMCMiM）（资料来源：WLP章节图38，ECTC）
（7）在第21章（SiP和模块）中，讨论了封装在一起的碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）等宽带隙功率半导体的SiP集成。图1-14是一个嵌入SiC半波桥模块的例子，它可以提供非常低的寄生电感，允许使用非常快的开关单元。面朝上和倒装芯片组装到基板上并嵌入到环氧预浸层中。该基板还为模块提供了良好的热管理。这个模块是在FraunhoferIZM开发的。几个供应商已经将类似的模块工业化。
图1-14SiP封装的碳化硅EMI优化模块实例
（8）随着5G网络在许多城市的推出，5G智能手机正在变得普及。图1-15是三星GalaxyS10的拆卸图。请注意，在框架的外围有三个不同的毫米波天线模块，靠近框架底部有一个2G/3G/4G天线模块。对5G天线技术的深入回顾可以在第12章（5G通信）中找到。更多关于三星GalaxyS10PoP封装的讨论在第7章。
图1-15三星Galaxy10拆解展示5G天线
（资料来源：PrismakPartnersBingahmton大学）
1.6接下来会发生什么
在SEMICONWest年HIR研讨会上，JohnShalf发表了一场关于“超越摩尔定律计算的未来”的演讲，特别是关于百亿亿次计算在-年的需求。图1-16显示了技术扩展趋势的停滞不前，并询问：“然后呢?”
图1-16技术规模发展趋势
他进一步提出了一些挑战和可能的解决办法。注意到当使用硅转接层时，封装的Cu-pin带宽密度与光子带宽密度匹配，展示了硅光子整合集成的概念幻灯片。在第9章（集成光电子）可以找到一个深入的综述。
图1-17硅光子集成概念
1.7人工智能
在SEMICONWest人工智能设计论坛上，CliffYoung（谷歌Research）做了一个关于“谷歌TPUs协同设计——材料能做什么?”在图1-18中，从左边开始是三代张量处理器单元（TPU）的图片：TPU1、TPU2和TPU3。
图1-18三代谷歌TPUs（资料来源：CliffYoung，谷歌Research）
他以图1-19结束了谈话：“深度学习使硬件重新焕发了活力。
图1-19三代谷歌TPUs（资料来源：CliffYoung，谷歌Research）
liffYoung为电子工程社区提供的一个非常重要的信息是，人工智能和深度学习为我们提供了机会，从协同设计（第13章）、仿真（第14章）到开发和制造。这是一个巨大的挑战，也是一个巨大的机遇。
1.8总结
50年前，人类在月球上行走的景象令世人惊叹不已。许多年轻人不仅被人类如此不可思议的成就所鼓舞，而且被阿姆斯特朗所说的话所鼓舞。半导体在这一伟大工程中所起的作用应该得到绝对的承认。在将人类送上月球的十年努力中，一个最主要的创新领域就是由早期发明的晶体管和集成电路推动的电子产品。
今天，美国、中国和印度政府都宣布了进一步探索太空的计划，将宇航员和机器人送到太阳系深处的行星和地方。还有一些私人公司的公告，他们渴望提供太空旅行和旅游。电子技术的进步确实令人震惊，不断的创新也将帮助先驱者实现今天看来不可想象的目标。
戈登摩尔（GordonMoore）在年发表的著名论文《在集成电路中植入更多元件》（CrammingMoreComponentstoIntegratedCircuits）中，首先
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