Kemasan semikonduktor telah berevolusi dari desain PCB 1D tradisional menjadi ikatan hibrid 3D mutakhir pada tingkat wafer. Kemajuan ini memungkinkan jarak interkoneksi dalam rentang mikron satu digit, dengan bandwidth hingga 1000 GB/s, dengan tetap menjaga efisiensi energi yang tinggi. Inti dari teknologi pengemasan semikonduktor canggih adalah pengemasan 2.5D (di mana komponen ditempatkan berdampingan pada lapisan perantara) dan pengemasan 3D (yang melibatkan penumpukan chip aktif secara vertikal). Teknologi ini sangat penting untuk masa depan sistem HPC.
Teknologi pengemasan 2.5D melibatkan berbagai bahan lapisan perantara, yang masing-masing memiliki kelebihan dan kekurangan. Lapisan perantara silikon (Si), termasuk wafer silikon yang sepenuhnya pasif dan jembatan silikon terlokalisasi, dikenal memberikan kemampuan perkabelan terbaik, menjadikannya ideal untuk komputasi kinerja tinggi. Namun, produk ini mahal dalam hal bahan dan manufaktur serta menghadapi keterbatasan dalam area pengemasan. Untuk memitigasi masalah ini, penggunaan jembatan silikon lokal semakin meningkat, yang secara strategis menggunakan silikon di mana fungsionalitas yang baik sangat penting sekaligus mengatasi kendala area.
Lapisan perantara organik, menggunakan plastik cetakan kipas, merupakan alternatif yang lebih hemat biaya dibandingkan silikon. Mereka memiliki konstanta dielektrik yang lebih rendah, yang mengurangi penundaan RC dalam paketnya. Terlepas dari keunggulan ini, lapisan perantara organik berjuang untuk mencapai tingkat pengurangan fitur interkoneksi yang sama seperti kemasan berbasis silikon, sehingga membatasi penerapannya dalam aplikasi komputasi berkinerja tinggi.
Lapisan perantara kaca telah menarik minat yang signifikan, terutama setelah peluncuran kemasan kendaraan uji berbasis kaca dari Intel baru-baru ini. Kaca menawarkan beberapa keunggulan, seperti koefisien ekspansi termal (CTE) yang dapat disesuaikan, stabilitas dimensi tinggi, permukaan halus dan rata, serta kemampuan untuk mendukung pembuatan panel, menjadikannya kandidat yang menjanjikan untuk lapisan perantara dengan kemampuan kabel yang sebanding dengan silikon. Namun, selain tantangan teknis, kelemahan utama lapisan perantara kaca adalah ekosistem yang belum matang dan kurangnya kapasitas produksi skala besar saat ini. Seiring dengan semakin matangnya ekosistem dan kemampuan produksi yang meningkat, teknologi berbasis kaca dalam kemasan semikonduktor mungkin akan mengalami pertumbuhan dan adopsi lebih lanjut.
Dalam hal teknologi pengemasan 3D, ikatan hibrida tanpa benturan Cu-Cu menjadi teknologi inovatif terdepan. Teknik canggih ini mencapai interkoneksi permanen dengan menggabungkan bahan dielektrik (seperti SiO2) dengan logam tertanam (Cu). Ikatan hibrid Cu-Cu dapat mencapai jarak di bawah 10 mikron, biasanya dalam rentang mikron satu digit, yang menunjukkan peningkatan signifikan dibandingkan teknologi micro-bump tradisional, yang memiliki jarak benjolan sekitar 40-50 mikron. Keuntungan dari ikatan hibrid mencakup peningkatan I/O, peningkatan bandwidth, peningkatan penumpukan vertikal 3D, efisiensi daya yang lebih baik, dan pengurangan efek parasit dan ketahanan termal karena tidak adanya pengisian bagian bawah. Namun, teknologi ini rumit untuk diproduksi dan memiliki biaya yang lebih tinggi.
Teknologi pengemasan 2.5D dan 3D mencakup berbagai teknik pengemasan. Dalam kemasan 2.5D, tergantung pada pilihan bahan lapisan perantara, dapat dikategorikan menjadi lapisan perantara berbasis silikon, berbasis organik, dan berbasis kaca, seperti yang ditunjukkan pada gambar di atas. Dalam kemasan 3D, pengembangan teknologi micro-bump bertujuan untuk mengurangi dimensi spasi, namun saat ini, dengan mengadopsi teknologi hybrid bonding (metode sambungan Cu-Cu langsung), dimensi spasi satu digit dapat dicapai, menandai kemajuan yang signifikan di bidangnya. .
**Tren Teknologi Utama yang Perlu Diwaspadai:**
1. **Area Lapisan Perantara yang Lebih Besar:** IDTechEx sebelumnya memperkirakan bahwa karena sulitnya lapisan perantara silikon melebihi batas ukuran reticle 3x, solusi jembatan silikon 2.5D akan segera menggantikan lapisan perantara silikon sebagai pilihan utama untuk pengemasan chip HPC. TSMC adalah pemasok utama lapisan perantara silikon 2,5D untuk NVIDIA dan pengembang HPC terkemuka lainnya seperti Google dan Amazon, dan perusahaan tersebut baru-baru ini mengumumkan produksi massal CoWoS_L generasi pertama dengan ukuran reticle 3,5x. IDTechEx memperkirakan tren ini akan terus berlanjut, dengan kemajuan lebih lanjut yang dibahas dalam laporannya yang mencakup pemain-pemain besar.
2. **Pengemasan Tingkat Panel:** Pengemasan tingkat panel telah menjadi fokus yang signifikan, seperti yang disoroti pada Pameran Semikonduktor Internasional Taiwan 2024. Metode pengemasan ini memungkinkan penggunaan lapisan perantara yang lebih besar dan membantu mengurangi biaya dengan memproduksi lebih banyak paket secara bersamaan. Meskipun memiliki potensi, tantangan seperti pengelolaan warpage masih perlu diatasi. Meningkatnya keunggulan ini mencerminkan meningkatnya permintaan akan lapisan perantara yang lebih besar dan lebih hemat biaya.
3. **Lapisan Perantara Kaca:** Kaca muncul sebagai kandidat material yang kuat untuk menghasilkan kabel yang halus, sebanding dengan silikon, dengan keunggulan tambahan seperti CTE yang dapat disesuaikan dan keandalan yang lebih tinggi. Lapisan perantara kaca juga kompatibel dengan kemasan tingkat panel, sehingga menawarkan potensi kabel berdensitas tinggi dengan biaya yang lebih terjangkau, menjadikannya solusi yang menjanjikan untuk teknologi pengemasan di masa depan.
4. **HBM Hybrid Bonding:** Ikatan hibrid tembaga-tembaga (Cu-Cu) 3D adalah teknologi utama untuk mencapai interkoneksi vertikal pitch yang sangat halus antar chip. Teknologi ini telah digunakan di berbagai produk server kelas atas, termasuk AMD EPYC untuk SRAM dan CPU bertumpuk, serta seri MI300 untuk menumpuk blok CPU/GPU pada cetakan I/O. Ikatan hibrid diharapkan memainkan peran penting dalam kemajuan HBM di masa depan, terutama untuk tumpukan DRAM yang melebihi lapisan 16-Hi atau 20-Hi.
5. **Perangkat Optik yang Dikemas Bersama (CPO):** Dengan meningkatnya permintaan akan throughput data yang lebih tinggi dan efisiensi daya, teknologi interkoneksi optik telah mendapatkan banyak perhatian. Perangkat optik yang dikemas bersama (CPO) menjadi solusi utama untuk meningkatkan bandwidth I/O dan mengurangi konsumsi energi. Dibandingkan dengan transmisi listrik tradisional, komunikasi optik menawarkan beberapa keuntungan, termasuk redaman sinyal yang lebih rendah pada jarak jauh, mengurangi sensitivitas crosstalk, dan meningkatkan bandwidth secara signifikan. Keunggulan ini menjadikan CPO pilihan ideal untuk sistem HPC yang intensif data dan hemat energi.
**Pasar Utama yang Perlu Diwaspadai:**
Pasar utama yang mendorong pengembangan teknologi pengemasan 2.5D dan 3D tidak diragukan lagi adalah sektor komputasi kinerja tinggi (HPC). Metode pengemasan canggih ini sangat penting untuk mengatasi keterbatasan Hukum Moore, memungkinkan lebih banyak transistor, memori, dan interkoneksi dalam satu paket. Dekomposisi chip juga memungkinkan pemanfaatan node proses secara optimal di antara blok fungsional yang berbeda, seperti memisahkan blok I/O dari blok pemrosesan, sehingga semakin meningkatkan efisiensi.
Selain komputasi kinerja tinggi (HPC), pasar lain juga diperkirakan akan mencapai pertumbuhan melalui penerapan teknologi pengemasan yang canggih. Di sektor 5G dan 6G, inovasi seperti antena kemasan dan solusi chip mutakhir akan membentuk masa depan arsitektur jaringan akses nirkabel (RAN). Kendaraan otonom juga akan mendapatkan keuntungan, karena teknologi ini mendukung integrasi rangkaian sensor dan unit komputasi untuk memproses data dalam jumlah besar sekaligus memastikan keselamatan, keandalan, kekompakan, manajemen daya dan termal, serta efektivitas biaya.
Barang elektronik konsumen (termasuk ponsel pintar, jam tangan pintar, perangkat AR/VR, PC, dan stasiun kerja) semakin fokus pada pemrosesan lebih banyak data di ruang yang lebih kecil, meskipun penekanannya lebih besar pada biaya. Pengemasan semikonduktor tingkat lanjut akan memainkan peran penting dalam tren ini, meskipun metode pengemasannya mungkin berbeda dari yang digunakan di HPC.
Waktu posting: 25 Okt-2024