下一代的IC设计是否能成功取得可行的进展,关键就在于整合;在历史上,VLSI社群一直仰赖半导体工艺 节点之进展,来克服迈向更高整合度途径中一个又一个快速接近的障碍,但是时代已经改变...

在美国乔治亚理工学院(Georgia Tech)教授超大规模集成电路(VLSI)课程的数字暨混合讯号设计专家Arijit Raychowdhury 表示,先进IC设计的新疆域在于封装。

Arijit Raychowdhury

下一代的IC设计是否能成功取得可行的进展,关键就在于整合;在历史上,VLSI社群一直仰赖半导体工艺节点之进展,来克服迈向更高整合度途径中一个又一个快速接近的障碍,但是时代已经改变。芯片产业意识到,依循摩尔定律(Moore’s Law)的工艺微缩速度已经趋缓,然而产业界似乎不愿意面对VLSI设计即将发生的剧变──从工艺到封装技术的明确转变。

“Raychowdhury是少数专注于此趋势的人之一,他告诉我们,封装是一个工艺工程师必须了解的。他以AMD的Zen处理器以及Intel的Lakefield处理器为例,表示Intel就是在Lakefield芯片使用了一种叫做Foveros的封装整合技术;而根据他的观察,“AMD使用了一种类似的整合技术,将7纳米CPU与10纳米I/O以封装级整合结合在一起,这有助于改善系统良率。他们这种技术的旗舰产品是Zen 2。”

其他厂商也使用类似的封装级整合方案;Raychowdhury表示:“Apple、Qualcomm都在追随这种技术,他们的技术成熟度不相同;”简而言之,CPU领导厂商所展望的未来,“都是关于封装的异质整合(heterogeneous integration)。”

Raychowdhury表示,先进IC设计的重点已经从工艺技术转向封装技术,但问题在于“业界对于这种转移将如何进展的了解不够,至少在美国是如此。”他指出,台积电(TSMC)是一家在让业界了解“在裸晶上做vs.用封装做”方面,“表现得比较好”的公司。

在接受《EE Times》与姊妹刊《EDN》的联合访问(编按:EE Time首席国际特派记者Junko Yoshida与EDN代理主编Richard Quinnell共同参与这场访问)时,Raychowdhury强调在工程世界中“connecting the dots”的重要性;将学校学到的理论与现实世界的设计连结,就是一个显著的案例。了解科技业务与华尔街估值之间的连结又是另一回事。

尽管在年度国际固态电路会议(ISSCC)或VLSI研讨会(VLSI Symposia)发表的技术论文,能让工程师们得知最新尖端技术,在这些先进技术论文以及教授工程基础知识的书籍之间仍有一个很大的中间地带必须被诠释;而Raychowdhury指出,能在其中扮演桥梁角色的,就是像《EDN》这样的技术媒体,还有《EE Times》所刊出的技术与商业新闻分析。

我们的对话涵盖在疫情蔓延中教授EE课程的挑战,还有晶体管微缩,以及要掌握下一代VLSI设计所需的新技术领域专长,也谈到了哪种理工科系学生最有机会在现实世界中取得成功。以下是我们以在线视频会议方式进行的访谈节录。

学校与职场之间的知识差距

Yoshida:你现在都是在家里进行在线教学吗?课程是怎么进行的?

Raychowdhury:是的,我们从3月中旬就改为在线课程,到现在已经六个星期了(EETT编按:这场在线采访是在美国时间今年4月下旬进行)。我们是先把教学内容录制成视频剪辑,在正式上课时间之前就上传到网络;然后在课堂时间就是登入视频会议软件,与学生之间的互动不再是上一整堂课,而是以问答为主,我会回答学生的问题。这种方式还可以…我不会说很糟,到目前为止还可以。

我们有中国、越南、美国西岸…来自世界各地的学生,而有不少人根本无法顺利连结因特网,甚至是在美国本土的学生;特别是住在偏远区域的,因特网联机很不稳定。几周前我们乔治亚州这边有龙卷风发生,我们住在乔治亚南部的学生家里的房子不但受损了、而且停电…简直一团混乱。

Quinnell:我们的出版集团ASPENCORE有一项任务,是要察知技术知识差距──也就是我们的读者认为他们在学校已经学到的,还有在职场上所必须具备的知识之间的差距。以你担任讲师的身份,是否有学生会回来诉苦说:”天啊,我希望我曾经在学校学到过这个…“

Raychowdhury:这确实是学生总会提到的一个问题,会与讲师的个人教学方式有关。学生通常都会对于了解课堂上所学将如何应用于现实世界非常有兴趣,他们会想知道哪种市面上的产品应用了哪些基础技术?他们是不是有学过了?这是我们在学界常听到的问题。

有些学校教师是从业界转任学界的,他们对于市场上的现况有更多了解…我认为学生们──特别是大学在学生──都偏爱选修对于产业界正在做的事情有更多影响力、对他们未来就业有帮助的课程。但是仍有一些非常基础性的课程,像是我们一定会教拉普拉斯转换(Laplace transform)、傅立叶变换(Fourier transform)这些东西。不过学生们有时会发现很难将那些课程与现实世界应用连在一起,他们总在寻找将理论与实践连结在一起的方法。

Quinnell:在EDN最受欢迎的文章之一就是探讨“建立与保持时间”(Setup and Hold Time)的基础概念,这类文章一直以来都很受欢迎;所以我们可以在哪里获得更多这类知识?

Raychowdhury:这是个非常好的问题。这些日子以来,在我教授的VLSI课程中,我会花20%左右的时间只讲建立与保持时间;我是一直到进入产业界任职,才知道这个题目有多复杂。如果你真的想充分了解什么是保持时间,你得真的动手设计一个正反器(flip flop)、看它如何运作并大量布署。所以我们需要一个首先了解理论,又懂得实作的人来写这样的文章…这正是教科书所缺少的,在大多数的文章中也很难看到。

从2D、2.5D到3D整合

Quinnell:在学界,要出版一本书很费工夫,要针对某种技术开一门课程亦然。你现在有看到什么技术题材是你很希望有机会为它开一门课程的吗?

Raychowdhury:人们说晶体管微缩已经快达到极限,但从技术上来看,也许微缩演进的速度不如我们想的那么快。以内存制造技术或是后段工艺晶体管技术为例,我认为还会有很多新的东西出现,产业界在这个特定领域行动速度非常快。但是探讨这方面的好书却不多,因为都是产业界所说的“黑魔法”。

另一个我看到的技术趋势也没有相关书籍,就是整合,包括2D、2.5D与3D等所有技术;我们都想知道:这个趋势意味着什么?会带来什么不同的影响?这些技术在产业界进行讨论时都被乐观看待,人们讨论一层又一层的晶体管,其实都还没有发生,就算在技术上是可行的,在经济上恐怕还不可行。而包括像是Intel正在研发的“小芯片”(chiplet)等在短期内可以达成高整合度目标的手段,我不认为现在有适合的书籍探讨这类技术。

半导体技术重心从工艺转向封装

Quinnell:你认为现在有什么是我们应该特别注意,或者是引起读者注意、让他们准备好能应用的新兴技术?像是量子运算等题目让人兴奋,但是可能还要至少十年才会实现,所以我们想问的是距离近一点的、人们最快在一两年之内就可能被要求从事相关工作的技术。

Raychowdhury:我认为其中一个技术领域是,工艺工程师现在必须要了解封装。我会看到这样的趋势,是因为如果你看AMD是怎么开发他们的Zen处理器,还有Intel是如何制作Lakefield处理器,你就会发现都是关于封装的异质整合。这些公司里有众多后段工艺工程师,现在都在用他们的专业技能打造高密度封装,我可以看到这正在发生。

我们(乔治亚理工学院)有许多研究项目是业界赞助的,因此我可以看到产业界正要求我们从设计以及工艺的角度来看这些技术。但业界对于这种技术发展重心从工艺转移到封装的趋势之了解有限,至少在美国是如此。对于确保人们可以理解从在裸晶上做到变成在封装上做,是一种平顺的转移,台积电大概是做得比较好的。而我认为这是人们会需要在非常、非常短的时间内准备好投入的技术领域。

成为优秀工程师需要具备的知识

Yoshida:身为一位教授,你认为学生们若要开始进入业界工作,在个人专业技能之外,应该要具备那些基本知识?

Raychowdhury:我觉得在这个产业表现优异的人,最终都会对各种知识有广泛的了解。所以我都告诉我的学生要选修跨领域的课程,不只是自己的研究领域。例如从事工艺技术的人会需要懂物理学还有化学;而设计组件的人会需要了解材料,如果不懂就会是个问题。我认为了解基础化学原理会有帮助,因为当我们要改变典范(paradigm),就会关注新的材料。

类似的,我觉得很多产业界的电路设计工程师,特别是模拟设计工程师,缺乏或是忘记了基础数学知识,这些人一旦进入业界都得重新学习。有时他们具备一定的技能,却不见得了解包括数学、物理学与化学等通常会需要的通用理工知识。

Yoshida:你也曾经在半导体业界任职,当时你会希望在进入职场之前曾经学习过什么?

Raychowdhury:我拥有所有背景知识,但我缺少的技能是不知道该怎么把一个个点连起来。例如某个特定主题要怎么与另外一个连在一起?我认为这是学校里学不到的,因为你会是在不同的学期里学那些课程。在某个时间点,所有那些东西需要一次触发;所以我在进入职场的前六到八个月,基本上都是在花时间尝试了解如何将那些不同的元素连在一起。

(美国)各大学院校现在都在尝试针对高年级甚至是研究所学生,开设更多实际动手实作的基础设计课程,我认为这有很大的帮助。有些人天生就具备写软件程序、或是拆解东西再将它们组装回去的能力,这些人会更适合当的工程师,因为当他们进入职场,链接知识的能力会更好。总之我认为,更多垂直整合的科目与课程非常重要。

Yoshida:我的最后一个问题是,既然你在为下一个年度开发新课程,什么是你觉得一定要教授的科目?

Raychowdhury:我是教电路课程,从电路学的观点,我认为很多学生已经走火入魔,他们只对于了解EDA工具的运作有兴趣,像是你怎么知道Synopsys提供的不同选项,或是Cadence正在生产的新后段工具…还有他们只想做项目并获得特定技能。所以实际上我在下一个学年打算教一些基础,我大部分教的都是研究生,他们在大学部并没有对讯号与噪声有充分的了解,这是个问题,而这些都是电路设计师必须要知道的。

在VLSI领域,我们并没有很多良好的基础课程,主要是因为学生的需求,他们大部分都只想学能帮助他们取得技能的东西,却不了解这些技能在他们走出校园之后,不需要花太多时间就能学到;他们更需要的是基础性知识的了解,而美国的大学院校几乎都没有教授基础性的VLSI电路设计。

责编:Judith Cheng   责编:Yvonne Geng

(参考原文:Wanted: Process Engineers Versed in Packaging,by Duncan Stewart and Jeff Loucks )

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