【產業新聞】從先進封裝技術發展，檢視 AMD 的超級電腦布局

TechNews
2020年07月17日
作者 癡漢水球


「包水餃」不但是傳統技藝，更將是尖端科技。以《戰略緒論》一書聞名的近代法國戰略大師薄富爾曾說：「戰略的要義是『預防』而非『治療』，『未來和準備』比『現在和執行』更重要。」半導體業界亦同，當摩爾定律所預言的製程微縮曲線開始鈍化，將不同製程性質的晶片，透過多晶片封裝包在一起，以最短的時程推出符合市場需求的產品，就成為重要性持續水漲船高的技術顯學。而這些先進晶片封裝也成為超級電腦和人工智慧的必備武器。別的不提，光論 nVidia 和 AMD 的高效能運算專用 GPU、Google 第二代 TPU、無數「人工智慧晶片」，就處處可見 HBM 記憶體的存在。畢竟天底下沒有面面俱到的半導體製程，觀察到先進製程晶圓廠每隔 4 年成本倍增的「摩爾第二定律」，也突顯了電晶體單位成本越來越高的殘酷現實。AMD 處理器從 7 奈米製程開始全面性「Chiplet 化」，將 7 奈米製程的 CPU 核心和 12 奈米製程的 I/O 記憶體控制器分而治之，實乃不得不然。也因此，無論台積電還是英特爾，無不拚命加碼，相關產品也如雨後春筍一個個冒出頭來，而 AMD 更在未來產品計畫，大剌剌寫著「融合 2.5D 與 3D 的 X3D 封裝」（雖然大概也是直接沿用台積電的現有技術），以達成超過時下產品十倍的記憶體頻寬密度。


稍微替各位複習一下什麼是「2.5D」封裝，台積電擁有超過 60 個實際導入案例的 CoWos（Chip-on-Wafer-on-Substrate）算是這領域最為知名的技術，包含近期奪下超級電腦 Top500 榜首的 Fujitsu A64FX。英特爾用自家 EMIB（Embedded Multi-Die Interconnect Bridge）將 Kaby Lake 處理器與 AMD Vega 繪圖核心「送作堆」的 Kaby Lake-G，也曾是轟動一時的熱門話題。有別於「2D」的 SiP（System-in-Package），2.5D 封裝在 SiP 基板和晶片之間，插入了矽中介層（Silicon Interposer），透過矽穿孔（TSV，Through-Silicon Via）連接上下的金屬層，克服 SiP 基板（像多層走線印刷電路板）難以實做高密度佈線而限制晶片數量的困難。「疊疊樂」的 3D 封裝就不難理解了，台積電就靠著可減少 30% 的封裝厚度 InFO（Integrated Fan-Out），在 iPhone 7 的 A10 處理器訂單爭奪戰擊敗三星，終結了消費者購買 iPhone 6S 還得擔心拿到三星版 A9 的尷尬處境（筆者不幸曾是受害者之一）。但 3D 封裝的散熱手段與熱量管理，也是明擺在半導體產業界的艱鉅挑戰。


英特爾相對應的 3D 封裝技術則為 Foveros。最近正式發表、代號 Lakefield 的「混合式 x86 架構處理器」，堆疊了「1 大 4 小核心」的 10 奈米製程（代號 P1274）運算晶片、22 奈米製程（代號 P1222）系統 I/O 晶片和 PoP（Package-on-Package）封裝的記憶體，待機耗電量僅 2mW。英特爾 2019 年 7 月公布的 Co-EMIB，用 2.5D 的 EMIB 連接多個 3D 的 Foveros 封裝，「整合成具備更多功能」的單一晶片。為 EMIB 概念延伸的 ODI（Omni-Directional Interconnect）則用來填補 EMIB 與 Foveros 之間的鴻溝，為封裝內眾多裸晶連接提供更高靈活性，細節在此不論。英特爾在 2017 年將 EMIB 連接裸晶的「矽橋」（Silicon Bridge）正式命名為「先進介面匯流排」（AIB，Advanced Interface Bus）並公開免費授權，2018 年將 AIB 捐贈給美國國防先進研究計劃署（DARPA），當作免專利費的裸晶互連標準，MDIO（Multi-Die I/O）則是 AIB 的下一代。台積電相對應技術則為 LIPINCON（Low-voltage-INPackage-INterCONnect），規格與英特爾互有長短。


長期關心 ARM 指令集相容處理器與超級電腦的讀者，想必對先前採用 Fujitsu A64FX 處理器打造的日本理化學研究所的「富岳」並不陌生。這顆台積電 7 奈米製程並 CoWoS 2.5D 封裝 4 顆 8GB HBM2 記憶體的產物，堪稱當代最具代表性的「超級電腦專用系統單晶片」，讓人不得不想起十幾年前的 IBM BlueGene/L。曾在 21 世紀初期靠著「地球模擬器」（Earth Simulator）獨領風騷兩年多的 NEC，其 SX 向量處理器的最新成員 SX-Aurora TSUBASA，也是台積電 16 奈米製程、2.5D 封裝 6 顆 8GB HBM2 記憶體的超級電腦心臟。


而英特爾的 Xeon Phi 系列更是知名代表，透過 2.5D 封裝包了 8 顆 2GB MCDRAM（Multi-Channel DRAM），可設定為快取記憶體、主記憶體或混合兩者之用。雖然 Xeon Phi 家族兩年前慘遭腰斬，中斷自從 Larrabee 以來的「超級多核心 x86」路線，英特爾決定整個砍掉重練，一步一腳印重頭打造「傳統 GPU」當作未來高效能運算與人工智慧應用的基礎，但異質多晶片封裝的重要性仍不減反增，最起碼被英特爾從 AMD 挖角、主導 GPU 發展的 Raja Koduri，自己是這樣講的，也沒什麼懷疑的空間。


不過 AMD 也並未缺席，並看似有後來居上的氣勢，而且這並非突發奇想，早在 2010 年之前，就開始進行長期研究，至今超過十年，並「很有可能」以 EHP（Exascale Heterogenous Processor）之名開花結果，融合 2.5D 與 3D 封裝的 X3D 則是達成 EHP 的關鍵。Exa 意指 Peta 的 1 千倍，也是近年來超級電腦的下一個競爭指標，像預定採用 AMD Zen 2 世代 EPYC 處理器的美國國家核能安全管理局 El Capitan 超級電腦，理論運算效能就超過 2ExaFlops。AMD 自從 2007 年購併 ATI 之後，整合處理器與繪圖核心的 APU 之路，一直走得相當掙扎，遲遲難以找到適合的產品規格與市場定位，不是 CPU 不夠好、GPU 不夠強、就是兩者都不上不下，到了 Zen 2 世代才算脫胎換骨。這些年來，AMD 在超級電腦市場逐漸邊緣化，今年 6 月的 Top500 只剩下 10 台 AMD CPU 和一台 AMD GPU，更需要強力的新兵器，才能「突破英特爾和 nVidia 的封鎖」。身為「超級電腦 APU」的 EHP 就成為 AMD 默默進行的新方向。


以加拿大 ATI 身分在 2010 年申請「藉由假矽穿孔替 3D 封裝進行導熱」（Dummy TSV To Improve Process Uniformity and Heat Dissipation）專利為起點，AMD 一路累積了「記憶體運算的快取資料一致性」（2016 年）、「3D 晶粒堆疊的熱量管理」（2017 年）、「擁有極致頻寬與可延展性能耗比的 GPU 架構」（2017 年）、「記憶體內運算的陣列」（2018 年）、「迴圈脫離預測（2018 年）以改善閒置模式的效率」到「混合 CPU 與 GPU 的動態記憶體管理」（2018 年）等成果，確定了 AMD 在 2015 年的財務分析師大會透露的「伺服器專用 APU」與當年 7 月 IEEE Micro 發表的「藉由異質運算實現百億億級運算」（Achieving Exascale Capabilities through Heterogeneous Computing）計畫並不是玩假的，更何況現在 AMD 當家作主的還是一位以務實聞名的全球薪酬最高女性執行長。


EHP 也有配置晶片封裝以外的外部記憶體，像斷電後資料不會消失的 NVRAM（Non-Volatile RAM，如 英特爾／Micro 的 3D Xpoint 和發展中 SST-MRAM 等）和「記憶體內運算」的 PIM（Processing-In-Memory，記憶體內建位元運算電路），相關的動態記憶體管理與快取資料一致性，也是 AMD 需要克服的技術門檻，至於軟體環境的完備性，更將是 AMD 能否追上 nVidia 的最核心因素。


近來因「光明的未來前瞻性」而讓公司市值一舉超越英特爾的 nVidia，在高效能運算、人工智慧與自駕車等領域的優勢地位幾乎是牢不可破。除了帳面硬體規格，發展了十多年的 CUDA 應用環境生態、遠遠超越英特爾和 AMD 的 GPU 虛擬化（這讓客戶使用 AMD GPU 部署雲端個人電腦的效益會明顯不如 nVidia，雲端服務業者的虛擬 GPU 亦同，比較一下可負荷用戶端數量，就知道差別有多大了）和更多「不足外人道也」之處，才是支撐 nVidia 股價的真正根基。


但各位有沒有想過一個更有趣的可能性：既然 nVidia 高階 GPU 都這麼大顆，幹麼不乾脆「順便」包一顆高效能的 ARM（或 RISC-V）指令集相容處理器，不再是英特爾、AMD 處理器的「附屬品」，讓 GPU 變身成「可自行開機的超級電腦系統單晶片」？事實上，nVidia GPU 內本來就有內建好幾顆簡稱為 Falcon（Fast Logic Controller）的微控制器，用來輔助 GPU 運算處理，像支援影像圖形解碼到安全性機制，或減輕 CPU 執行驅動程式的負擔，如以前因為 Windows 作業系統的延遲程序呼叫（DPC，Deferred Procedure Call）會逾時而不能進行的排程等。2016 年，nVidia 先採用柏克萊大學的開源 RISC-V 指令集相容處理器 Rocket，開發出第一代 Falcon 微控制器，2017 年第二代產品擴展到 64 位元，並自行新增自定義的新指令。前述由 27 顆封裝而成的 RC18 推論晶片，也是 RISC-V 核心，每秒可執行 128 兆次推論，功耗僅 13.5W。那麼未來，假如 nVidia 將「更多的工作」搬到 GPU 內的 RISC-V 核心，特別是驅動程式涉及大量 GPU 底層機密資訊的「下面那一層」丟過去，或經由 GPU 虛擬化掩蓋起來，又會發生什麼事？這件牽扯到另一個少人知悉的潛在需求了：來自官方的開源驅動程式。


檯面上看不到或少人著墨的議題，舉足輕重的程度往往遠超乎看熱鬧外行人的想像。無論超級電腦還是人工智慧（尤其是人命關天的自動駕駛），基於安全性考量，晶片廠商的客戶或多或少都希望檢視所有程式碼，理所當然包含驅動程式，這就是 GPU 驅動程式開源之所以如此重要的主因。但偏偏這又是暗藏大量商業機密的黑盒子，要如何滿足客戶需求又不讓機密外洩，大方釋出「官方開源驅動程式」，就是 nVidia、AMD 甚至即將「GPU 戰線復歸」的英特爾，已經面對很久的機會與挑戰。技術的發展跟著應用的需求走，這恐怕也將會註定 AMD 靠著「超級電腦 APU」反攻高效能運算市場的企圖能否悲願成就的鎖鑰。點到為止，剩下的就留給各位慢慢思考了。






相關連結：https://technews.tw/2020/07/17/amd-of-super-computer/





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【產業新聞】 三星預備推出 Mini LED 背光電視，300 億顆晶片需求量將由台灣、中國廠供應

TechNews
2020年07月23日
作者 Pin


雖然南韓大廠三星決定退出 LCD 液晶面板的製造業務，但三星集團卻打算逆勢衝刺電視的出貨數量，並且透過新形態顯示技術來做差異化，擺脫競爭對手的低價競爭。三星除了規劃今年在歐美市場推出 The Wall 高階電視外，也預計在 2021 年推出多款不同尺寸的 Mini LED 背光電視，總數量可能將高達 300 萬台，也找上台灣與中國各家 LED 廠來支援。


根據科技新報取得的消息，三星為了應付如此龐大的晶片需求，找上了包括晶電、隆達、三安、華燦等各個台灣及中國的 LED 晶片廠商，提出所需規格及預估用量，意圖透過集結各方的 Mini LED 產能，在 2021 年打造出搭配 QD 量子點方案的 Mini LED 背光電視，搶下中大尺寸顯示市場先機。目前已傳出各家廠商將在 9 月提供樣本。


以 TrendForce 旗下光電研究處以往的推算，一台 65 吋的 8K Mini LED 背光電視，約使用超過 12,000 顆 Mini LED；85 吋則需要超過 20,000 顆晶片。而三星計劃在明年推出的 Mini LED 背光電視產品，出貨量可能達到 300 萬台，使用的晶片數量也將衝破 300 億顆。


除了 Mini LED 晶片需求外，若要依照計劃在明年推出 Mini LED 背光電視，三星也必須克服打件良率的問題。目前傳出的採用方案是以 Chip on Board（COB）型態搭配被動式驅動。預計將會帶動驅動 IC 以及 PCB 背板的需求用量，而三星也陸續與台灣、中國供應商洽談零組件的採購事宜。


Mini LED 及 Micro LED 等新形態顯示技術，經過前幾年的深蹲練功，目前已經逐漸展現量產實力，而在蘋果、三星等品牌大廠的推波助瀾之下，應用爆發指日可待。隨著相關產品在下半年到明年問世，對市場及產業帶來的影響力將成為關注焦點。






相關連結：https://technews.tw/2020/07/23/sasung-mini-led-tv-plan/#more-626533





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【產業新聞】台積電 2 奈米取得突破，將採 GAA 技術並於 2023~2024 年投產

TechNews
2020年07月13日
作者 Atkinson


台積電先進製程的部分，目前 5 奈米準備積極進入量產，3 奈米也將在 2022 年投產的關鍵時刻，更先進的 2 奈米製程也傳出取得重大進展，市場估計 2 奈米預計在 2023~2024 年量產的情況下，預計將能進一步鞏固全球晶圓代工龍頭的地位。


根據《經濟日報》的報導，台積電在 3 奈米製程決定以成本及良率的考慮，延用鰭式場效電晶體（FinFET）技術，並取得全球的領導地位之後，更先進的 2 奈米製程預計將切入環繞閘極（GAA）技術，正式進入另一個全新的製程技術領域，而且預料在接下來的年度技術論壇中，台積電將會公布這項成果。不過，台積電對此並未做任何評論。


報導指出，雖然台積電自 2019 年公布，將以數百人的研發團隊正式投入 2 奈米的技術研發以來，至今沒有公布 2 奈米製程節點會選擇沿用 FinFET 技術，或者是改用 GAA 技術。不過，根據相關供應鏈表示，因為 FinFET 技術將自 3 奈米以下會面臨技術瓶頸，因此台積電才會在 2 奈米選擇採用 GAA 的技術。另外，因為競爭對手三星已經宣布自 3 奈米的製程節點開始，就採用 GAA 的技術，台積電的時程顯然落後三星，不過市場人士指出，就之前台積電也較三星晚採用極紫外光刻設備，但在製程良率上仍領先三星的情況下，台積電採穩扎穩打的務實性做法，於 2 奈米才採用 GAA 技術而落三星一個世代，預計還是能持續維持其優勢的地位。


報導進一步指出，這次台積電能在 2 奈米製程節點上有所突破，歸功於台積電挽留了 3 年前即要退休的台積電最資深副總經理羅唯仁。在他帶領的團隊為製程技術研發進行了突破，才有了當前的成果。為此，羅唯仁還為團隊舉行了慶功宴，以感謝團隊的辛勞。而根據日前台積電的公告，預計 2021 年動工，將於美國亞利桑那州設置的 12 吋廠將以 5 奈米製程為主，並將於 2024 年投產，月產能達到 2 萬片的產能。而這時間點對照目前台積電先進製程的發展計畫，屆時台積電在台灣部分已經 2 奈米進入投產階段，使得整體美國廠的完工，屆時將對台積電在台灣的先進製程訂單不會有所影響。


此外，日前也外傳，競爭對手三星也宣布將放棄 4 奈米的製程，直接投入 3 奈米製程與台積電面對面競爭。市場人士也表示，就台積電一旦真的如其在 2023 年到 2024 年間量產 GAA 技術的 2 奈米製程，則三星想在 3 奈米製程彎道超車的狀況，將會難上加難。






相關連結：https://finance.technews.tw/2020/07/13/tsmc-2nm-gaa/





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【產業新聞】蘋果引燃 Mini LED 風潮，台灣供應鏈穩定與技術成熟為首選

TechNews
2020年06月30日
作者 TechNews


隨著蘋果即將推出 Mini LED 背光產品帶動需求成長，也刺激相關供應鏈擴大產能。根據 TrendForce LED 研究（LEDinside）調查，蘋果預計在 2021 年第一季推出 12.9 吋 Mini LED 背光 iPad Pro，同時也會針對 14 吋與 16 吋的筆電開案。該技術目前選定台灣顯示器相關供應商負責，因台廠開發新產品具備穩定性與技術成熟的優勢，將帶動上、下游供應鏈投入此應用領域，包含 LED 晶片廠商晶電、檢測分選廠商惠特和梭特、打件廠商台表科、PCB 背板廠商臻鼎等，皆在新型態 Mini LED 背光顯示器扮演重要角色。


Mini LED 背光顯示器具高亮度高對比特性，可將現有顯示器對比度由 10,000:1 拉升至 1,000,000:1 的大幅對比度提升，以及具高信賴性的卓越特性，在嚴峻的環境下於攝氏高溫 60 度及低溫 -10 度內都可維持穩定的發光顯示效果等優質特性，受到各家品牌大廠青睞，因此蘋果在未來新型顯示產品的規劃，Mini LED 背光將列入重點技術發展的路徑之一。雖然現階段中國廠商在 LED 上、下游供應鏈的產能龐大，加上成本低的優勢，但為避免中美貿易戰引發的衝擊，蘋果轉以供應鏈較穩定的台灣廠商合作。另外，台灣相較中國更早在 LED 相關領域深耕，除了技術相對成熟，專利也較無疑慮；加上原物料與零組件取得容易等優勢，發展新技術將更有效率。


TrendForce 指出由於蘋果的 12.9 吋 iPad Pro 預計採用 10,384 顆 Mini LED，並且做背光分區調控達到高對比與高色飽效果，故針對成本與良率的要求將是各環節供應商面臨的最大挑戰。從 LED 晶片探討，首先，因晶電產品均一性、性價比高，專利保護無虞，蘋果仍以其為首選；再者，Mini LED 背光技術需要大量且快速的針對 LED 晶片波長、規格進行嚴格檢測與分選，惠特與梭特同樣以性價比優勢成為關鍵廠商。


至於打件廠商台表科已偕同蘋果指定的 K&S 搭配，採用特殊的快速打件製程嘗試突破量產瓶頸。PCB 背板選擇與蘋果關係緊密的鴻海集團旗下品牌臻鼎及韓系廠商 YP Electronics 合作。而背光模組廠與面板廠的搭配，目前則以南韓 HEESUNG Electronics 與 LG Display 為主，隨著未來新機種問世，預期會有更多供應商如 GIS、瑞儀、夏普、京東方陸續加入。






相關連結：https://technews.tw/2020/06/30/taiwan-supply-chain-becomes-apple-first-choice-for-mini-led/





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