「超越摩爾」應用圖景1：商務開發

譯自：

More-than-Moore 2.5D and 3D SiP Integration

5.1 Business Development Landscape

本書第五章More-than-Moore Adoption Landscape闡述了超越摩爾定律的技術在應用到產品中的過程中所需要進行的考量，前面幾章已經充分介紹了2.5D SiP技術、3D SiP技術、設計生態系統，這裡還是把SiP技術的應用放到單獨的章節中討論，只有在勾勒應用圖景的過程中，才會意識到這裡面的問題是多麼複雜。

5.1 Business Development Landscape

5.2 Technology Development Landscape

5.3 Product Development Landscape

5.4 Observations and Opinions

引言

過去的幾十年實踐中，業界已經習慣於遵循傳統摩爾定律，不斷開發出先進的2D SoC產品。在逐步推進技術節點的同時，也形成了非常完備的開發經驗，來應對風險與挑戰。甚至還形成了一套標準化的機制，通過它充分預測了未來幾年的技術演進路線，即More Moore（深度摩爾）。

另一方面，More Than Moore（超越摩爾）又要求，業界中需要建立能夠大量開發、部署SiP產品的生態系統。我們知道，隨著傳統摩爾定律演進速度的放緩，迫使人們另闢蹊徑，一個很自然的想法就是將多個晶元進行複雜的、多維度的整合，即SiP（系統級封裝）技術。SiP技術註定是顛覆性的，因為針對SiP的技術風險、供應風險都是未知數，在這條路上，人們步履蹣跚。這給SiP技術在高密度電子產品上的應用造成了阻礙，尤其是當今最大的IC產業目標市場——手機。

本文聚焦於探討這項顛覆性技術，和現有技術之間的選擇策略。有必要說明這兩個概念：

1.現有技術：當前的主流技術，和基於當前主流技術的逐步推進，未來可以預測到的主流技術。例如，CMOS工藝節點從n到n+1的推進、封裝基板線距從10um到8um的演變——他們服從於More Moore，都屬於現有技術。

2.顛覆性技術：打破行業技術發展路標，需要通過產品總體架構設計作出改變，來體現該技術的價值主張的技術。例如，以TSV（硅穿孔）技術實現的3D堆疊，就是一項顛覆性的技術方案；WideIO對於LPDDR存儲技術的顛覆性也是如此。

商務開發圖景

整個電子行業，囊括了多種多樣的公司類別、多種多樣的商務模式。一整條供應鏈，就是一個非常複雜的系統。

智能手機就是這樣一個複雜的系統，錯綜複雜的行業關聯（供應商、採購商、合作夥伴等）、不同的技能交叉（軟體、硬體）、構成供應鏈的不同元素（EDA、代工廠、封測廠等）、不同採購模式（提供部件、提供整體、提供零售等）……所以，開發一個類似於智能手機這樣的複雜產品，需要涵蓋機械（例如顯示、結構、傳熱）、電（例如PCB、電池、元部件、天線）、半導體（例如存儲IC、電源IC、處理器IC）等多領域的技術應用。

手機中半導體技術的應用，通常是以不同類型的半導體公司來提供IC產品的方式體現。這些半導體公司的IC產品，可能來自於他們自有晶圓廠（internal fab）、封測廠（packaging and test facilitities），或者來自於晶圓代工廠(foundry)、外包封測廠(OSAT)。無論自有晶圓廠還是晶圓代工廠，又需要從其他實體獲取掩膜、設備、化學原料……整條供應鏈中包含的的工程技術、產品、服務實在非常龐大，處於其中的一家公司，可能會完成供應鏈中的一個或多個環節，甚至絕大多數環節。

未來的商務模型，將會驅動著一家公司去權衡現有技術、顛覆性技術的風險與收益，從而做出合適的選擇。

• 陣容

下面在半導體技術、封裝技術應用領域，對公司類型進行定義，這將有助於更深入地理解實現2.5D/3D SiP技術的必要路徑。

1.垂直整合系統公司（Vertically Integrated System Companies）

包攬生產、銷售終端電子產品的公司。對手機而言，系統公司包括蘋果、三星、HTC、聯想等。他們能夠關注於硬體設計層面，即使在今天市場中，反而軟體層面是主要的區分因素。

系統公司有以下分類：

a.擁有自有晶圓廠的垂直整合系統公司（如：IBM）

b.集團中有晶圓廠（如：三星）

c.無晶圓廠的垂直整合實體（如：蘋果）

擁有自有晶圓廠的垂直整合實體，最適合開發顛覆性的半導體技術、封裝技術，因為他們能夠運用底層的價值鏈理論，通過權衡多種多樣的技術屬性，最終在系統層面實現顛覆性技術的價值主張。此外，他們具備製造維度、管理維度的技能組合，這樣他們的最終產品就有應用專有技術、顛覆性技術的機遇，更有利於擴大產品的市場份額。

2.專門系統公司（Specialized System Companies）

大多數系統公司，例如手機行業中的小米、HTC、LG等，不進行垂直整合，而是傾向於去依賴外部的半導體公司來設計並供應半導體器件。值得一提的是，有些系統公司對外部公司的依賴，不僅僅局限於半導體器件領域，甚至會以貼牌生產（OEM）、代工生產（ODM）的方式運作。所以，專門系統公司不會具有權衡SiP技術、SoC技術的能力，而是更多地去依賴於他們的半導體供應商來作決定。因而他們通過定製來實現顛覆性技術的應用，畢竟對於他們來說，有些晶元能夠比競品更快、更小、更便宜。

3.半導體公司（Semiconductor Companies）

半導體公司也有不同的種類，每種都有其長處和短處。為了將他們與顛覆性技術的開發模式聯繫起來，分類如下：

a.Integrated Device Manufacturers（IDM）：設計和銷售IC產品，同時自己集成設計、晶圓製造、封裝、測試為一體，例如英特爾。

b.Fabless Manufacturers：設計和銷售IC產品，但是要交給晶圓代工廠、外包封測廠來進行產品製造，例如Marvell。

c.Fab-Lite Manufacturers：IDM模式和Fabless模式的混合實體，他們設計和銷售IC產品，擁有親自製造個別產品的能力，例如飛思卡爾。

d.集成的無晶圓廠製造商（IFM）：IDM模式和Fabless模式的混合實體，他們雖然是以外包生產的方式來設計和銷售他們的IC產品的，但是具有定製製造技術的技能組合，例如賽靈思、高通。

因為IDM公司有自己的晶圓廠和封裝廠，因此他們最容易實現差異化的技術方案，這些新方案是IC層級的，不是系統層級的。顛覆性的技術正吸引著IDM公司，因為這能夠提高自己產品的區分度，並讓競爭對手難以模仿。

Fabless實體傾向於純粹地通過他們的設計來實現技術差異化。在製造方面，他們更願意選用他們合作夥伴提供的現成技術。Fabless的強大之處在於，他們能夠選用最好的技術組，而IDM卻只能選擇他們內部自己開發的技術組。

Fab-Lite和IFM實體介於IDM和Fabless之間，有時他們也能接受差異化的技術選擇。一般地，Fab-Lite是以IDM起家的，而IFM是以Fabless起家的。他們最終會選擇哪種差異化技術路線，取決於各自的企業文化。

4.晶圓代工廠（Foundries）

主要通過投資半導體技術，以製造、銷售晶圓來獲取利潤，例如tsmc、GF、SMIC等。開發差異化技術的投入，會導致晶圓價格提高、容量增大及地位競爭。顯然地，晶圓代工廠總想把晶圓賣給更多的客戶，所以差異化技術具有極高的風險。一方面，顛覆性的技術選擇會讓晶圓具有高溢價，甚至直接鎖定市場份額；另一方面，Fabless客戶來源不盡相同，他們總想儘快實現他們的IC設計。所以，晶圓代工廠實際上是需要一個足夠「忠誠」的合作客戶，來共同開發所謂顛覆性的技術。

5.外包封測廠

主要通過投資封裝技術，以銷售封裝服務來獲取利潤，例如Amkor，ASE，SPIL等。外包封測廠的動機和晶圓代工廠很相似，但是外包封測廠的利潤空間較低，所以要求從投資到獲取利潤的時間盡量壓縮。而且，封裝領域涉及到的技術範疇很大，這其中大多數的工作已經由客戶完成了，這使得外包封測廠的分化機遇會降低。所以，外包封測廠需要足夠的理由來相信某項差異化技術開發的投入是必要的，如果投入至獲取利潤需要2年以上，那麼風險就過大了。

6.設備與材料供應商

主要通過向晶圓代工廠、外包封測廠銷售指定的材料、設備等來獲取利潤，例如應用材料公司、Rudolph、TEL、日立、住友等。要實現顛覆性的技術，往往也需要全新的材料或設備，這一需求甚至是大規模的。供應商獲取回報的時間可達5年以上（開發新設備的時間+向代工廠針對目標技術銷售特定設備的時間+批量生產的時間）。考慮到晶圓代工廠和外包封測廠自身固有的局限性，設備商更有可能和IDM公司一同站在顛覆性技術的前沿。但因為他們不足以開發某一顛覆性技術的全套工藝製程，而這些工藝製程絕對是決定新設備、材料開發的要素，所以他們需要一個合作夥伴。

值得一提的是，因為投資獲取回報的時間太長，供應商需要有工業界的技術路標，來決定開發的需要。國際半導體技術藍圖（ITRS）通過全球晶元製造商、設備供應商、研究團體和產業聯盟的協作努力，識別關鍵的挑戰，鼓勵創新解決方案。本應該有一個類似的能驅動這些設備與材料供應商投入開發的實體，不幸的是，在More than Moore(MtM)的道路上，至今仍然不存在類似於ITRS的技術路標。

7.EDA供應商

主要通過許可證授權來獲取利潤，例如Candence、Mentor、Synopsis等。許可證授權通常指對特定軟體工具的拷貝，這些工具可能是IC設計中用到的CAD工具，或其他的一些可能會被運用到顛覆性技術開發的工具組。EDA的投資期限為1~2年，也就是說，EDA供應商不太可能把主要投資放在一個幾年內無法售出的工具開發上。對於大型的EDA供應商尤其如此，他們要填補達數十億美元的市場。這樣一來，EDA供應商在顛覆性技術領域，很難有動機去開發，因為這樣的工具能售出的拷貝數量太少了。而EDA的初創企業，又希望能伴隨技術一同成長。

無論哪種情形，EDA供應商同樣需要一個合作夥伴，以驅動他們在顛覆性的技術領域開發新的工具。

8.學術界

例如喬治亞理工大學、加州大學聖地亞哥分校、麻省理工學院等。學術界的視野可以超越產業界5年以上。一項顛覆性技術的演進路線可能是10到15年，所以學術界可能就是追求、表徵More than Moore的合適實體。可是，例外地，學術界已經在很多技術開發領域中脫節，他們有視野，有才華，但卻可能沒有在正確的實驗室中產出實驗數據。一些大學擁有精良的設備，但是他們總聚焦於革命性的機遇（如MIT實驗室），難以保持和參與到行業所需的一致性。

9.產業聯盟

例如IMEC、Sematech、LETI、IME、Fraunhofer等特定的研發實體。他們通常成立於某個學術中心，並且至少獲得一個政府的贊助，從而實現資源的聚集。他們通常需要實現一條實驗性產線，並擁有固定的員工。和學術界類似，產業聯盟聚焦於技術預研，傾向於在顛覆性技術開發上開拓更廣的視野。和學術界不同的是，產業聯盟需要不斷向工業界請求資助，並且產業聯盟的開發成果（IP）能嚴格地被它的貢獻者們所掌控。這樣的模式就足以保證研發的投入與行業強相關。

• 陣型

以CMOS尺度縮小來實現More Moore所面臨的技術、經濟挑戰越來越顯著。然而，市場已經習慣於系統集成化的不斷提升，並認為這一趨勢總會延續。在產品中運用More than Moore的顛覆性技術，會帶來商務風險。所以，在產品開發中讓More than Moore技術與產品進行交叉是至關重要的。本節內容將描繪顛覆性技術在產品開發中運用的業務場景。通過對過去的行業動態進行判斷，可以認為顛覆性技術取代現有技術方案，其實是有以下三個情形：

1.現有技術手段的耗盡

如果採用顛覆性技術能夠達成通過擴展現有技術所難以達成的目標，那麼實施顛覆性技術過程中遇到的相關風險與成本問題反而是令人愉悅的。中肯的例子是，硅Interposer技術方案在FPGA、CPU等產品的運用（如Xilinx、AMD）。

為了達成FPGA所需的極高密度，如果通過傳統的路徑，去實現單顆大型的晶片（a giant mono-die），那麼在可行性、成本、製程能力上就會面臨巨大的挑戰，而硅Interposer技術就在這一需求上對Xilinx而言顯得極富吸引力。類似地，高端圖形核心所需要的大功率、高帶寬也使得3D堆疊存儲技術、硅Interposer技術相比於傳統的GDDRx片外存儲方案，對AMD而言顯得更富吸引力。

在以上案例中，正是現有技術手段的耗盡，帶來成本-效益的約束，給了產品中運用顛覆性技術的機會。

現有技術手段的耗盡，是顛覆性技術能在產品中得到運用的最通常的情形。這裡的產品一般是具有高性能要求，利潤空間較大的高端產品。當然，一旦顛覆性技術能在高端產品中得到採用，那麼自然就會有追隨者來將其逐步滲透到主流技術中去。例如，C4倒裝凸點技術，以及其他曾經的顛覆性技術，在今天都已非常平凡了。

2.系統層級價值權衡

還有一種情形是，現有技術確實可以滿足目標規格，但是，選用顛覆性的技術可以在系統層面提供更好的價值。舉個例子，顛覆性技術可以在基帶邏輯晶元上利用TSV技術來堆疊WideIO DRAM，而現有技術則可以利用POP封裝技術把LPDDRx DRAM進行堆疊。WideIO DRAM技術因其能提供較優的電源效益和尺寸，得到了很好的宣傳，尤其是對於手機應用來說，這項技術顯得極富吸引力。有許多公司在這一領域展開了競爭——包括TI，ST，三星，高通——他們在這一技術選項中進行了大量投資。然而，3D TSV技術堆疊WideIO至今還是沒有被採用。顯然，這一顛覆性技術的優點沒有辦法掩蓋它的缺點，3D WideIO SiP仍涵蓋著要在器件上增加成本和風險，與其給系統帶來的收益之間的權衡。

a.TSV技術的實現，需要3D堆疊和SoC設計做出改變，這導致TSV技術相比於傳統的2D技術方案需支出更高的成本。類似的，WideIO DRAM——尤其是大於1GB容量的——需要花費比傳統LPDDR DRAM更高的成本。更進一步地，3D WideIO堆疊攪亂了目前幾乎固定下來的POP封裝技術採購模式，這勢必提高了風險。

b.系統級的收益：器件的尺寸（x、y、z維度）和電源效益（獨立用例下的）優勢，一般被認為是移動領域的福音，這使得系統層面上，可以為手機產品做得更薄、更小，同時讓其擁有更好的屏幕和更大的電池容量等。

要實現這樣跨領域的價值權衡，需要協調整個供應鏈進行完全的優化。因此，垂直整合公司就擁有這樣的潛力，因為他們有自有晶圓廠，例如三星。如果是跨領域地協調分散式的供應鏈，包含OEM公司（LG，小米等）、半導體公司（高通、MTK等）、DRAM供應商（鎂光、海力士等）——這樣的行動對於fabless、非整合公司、系統公司等都將是難以實施的。顯然，在這一市場，現有技術的成本與風險狀況，勝過了顛覆性技術所能提供的其他優勢。也就是說，如果現有技術能夠滿足需求，那麼成本就在系統層級價值權衡中佔據了主導地位——至少在移動領域就是這樣。

3.器件層級價值權衡

第三種阻礙顛覆性技術在產品中得到應用的情形是，現有技術能夠滿足目標規格，但是，顛覆性的技術選擇有機會在器件層面，提供更好的成本。

以多晶元封裝為例（multi-chip packages），要麼將現有的器件做到一個封裝中去，要麼把一顆複雜的SoC拆分成多個小晶元（Split Die）。但是，正如曾討論過的，找到技術應用的「甜蜜點」是需要大量分析和權衡的。實現顛覆性的技術可能確實對成本有利，但同時也蘊含著風險。風險管理是一項複雜的商務活動，而使主流的產品線捎帶上風險並不是一個理想的策略。所以，即使成本這次能夠站在顛覆性技術這邊，它還是未必能勝過現有技術的風險管控優勢——至少對於主流產品線是這樣。

4.總結

綜上所述，將2.5D和3D SiP技術的業務場景匯總如下表。

1.現有技術手段耗盡的情形

利：IC性能和尺度縮小。

弊：高成本。

存在於高端應用，因為高端應用在乎性能，並且也有提高成本的空間。

2.系統層級價值權衡

利：該系統的種種優勢屬性，例如功耗、產品尺度的縮小。

弊：需對收益進行量化評估。

存在於垂直系統實體，因為差異化系統可以帶來收益。

3.器件層級價值權衡

利：該IC的種種優勢屬性，包括成本的降低。

弊：高風險。

存在於晶元供應實體，他們試圖去實現低成本的器件結構。

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