芯耀
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近日，全球領先的光子計算芯片公司曦智科技發(fā)布了最新光子計算處理器——PACE (Photonic Arithmetic Computing Engine，光子計算引擎)。該處理器的單個光子芯片中集成了超過10000個光子器件，可在1GHz系統(tǒng)時鐘下運行，提供的算力是上一代處理器的100萬倍以上，運行特定神經(jīng)網(wǎng)絡的速度比英偉達的RTX3080還要快350倍。
光子芯片之所以能取得這樣快速的進步，一定程度上是源于芯片封裝技術上的重大突破，PACE的核心部分由一塊集成硅光片和一塊CMOS微電子芯片采用倒封裝（Flip Chip）而成。
從封裝到倒封裝
對大多數(shù)人而言，倒封裝技術并不熟知。簡單來說，傳統(tǒng)的封裝技術是將裸片放置在引腳上，隨后用引線將裸片上的金屬接觸點和引腳進行連接，但采用傳統(tǒng)封裝技術的芯片面積較大，已經(jīng)難以滿足變得越來越小的智能設備。因此，一種具備高性能、低成本、微型化、高可靠性的封裝方式——倒封裝技術應運而生。
據(jù)了解，倒封裝是一種先進的封裝技術，有別于傳統(tǒng)封裝技術，倒封裝技術是將芯片連接凸點，然后將芯片翻轉(zhuǎn)使凸點與基板直接連接。此外，為適應柔性基板材料，倒封裝采用的鍵合材料是以導電膠為主，來實現(xiàn)芯片與天線焊盤的互連。
倒封裝技術最大的特點在于倒裝焊接芯片，需要對芯片進行二次布線設計并進行植球陣列，再設計BGA（球柵陣列）或者PGA（插針網(wǎng)格陣列）的基板后，將芯片與BGA/PGA進行對準和固定，最后焊接時再將其放到回流爐中進行回流。
因此，倒封裝技術擁有更多的IO接口數(shù)量、封裝尺寸更小、電氣性更佳、散熱性更佳、結(jié)構(gòu)特性更穩(wěn)定等優(yōu)點。也因此，倒封裝技術大量應用于高性能的CPU、GPU、FPGA、DSP等器件中。
倒封裝助力光子芯片發(fā)展
倒封裝技術并非新的技術。早在上個世紀60年代，IBM公司已研發(fā)并使用了這項技術。隨著發(fā)展，倒封裝技術在光子芯片領域又得到了進一步的應用。
曦智科技創(chuàng)始人兼CEO沈亦晨介紹，在光子芯片領域中，封裝方面一直是一個瓶頸。光芯片上的幾萬個光器件與電芯片需要一起深度協(xié)同工作，每一個光器件都要通過電芯片來獲得指令，如何讓電芯片給上萬個光器件同時發(fā)號施令，并且還能夠讓它們在納秒級別的時間內(nèi)進行統(tǒng)一且有序地運算，是相當龐大且復雜的工程。
據(jù)了解，傳統(tǒng)光子芯片上的每一個器件都需要通過銅導線外接到板卡上，再通過外部器件去控制。但目前的硅光技術已經(jīng)在單個光芯片上集成了上萬個光器件，傳統(tǒng)的封裝方式難以適用，需要新的封裝模式來達成。在此次曦智科技最新發(fā)布的PACE芯片中，采用倒封裝技術將芯片核心部分的硅光片和一塊CMOS微電子芯片進行集成，大大提升了芯片的集成度，從而增強芯片性能。
“光子芯片的器件集成密度非常高，因此也需要高密度的互聯(lián)方式，而倒封裝技術的特性剛好符合這個要求。”中科院微電子所副所長曹立強向《中國電子報》記者表示。
在光子芯片領域，倒封裝技術發(fā)揮出了其更大的能效，大大推動了光子芯片的發(fā)展。
諸多技術瓶頸待破
隨著傳統(tǒng)摩爾定律趨于尾聲，光子芯片技術的出現(xiàn)，讓人們在后摩爾時代看到新的曙光。倒封裝技術的加持進一步推動了光子芯片的發(fā)展。不過倒封裝技術在光子芯片領域的應用仍然存在諸多技術瓶頸。
曹立強表示，光子芯片在倒封裝過程中所采用的材料，將會面臨比較高的挑戰(zhàn)。隨著光子芯片集成度的不斷提升，所需材料的密度更高，顆粒度更細。此外，為了能夠在倒封裝的過程中順利繞過所有倒裝焊接的凸點，對材料要求流動性較強，且可靠性要高，若想達成，絕非易事。并且，隨著所需材料工藝變得更加精細，價格自然水漲船高，在成本方面也難以把控。
沈亦晨也表示，對于光子芯片而言，在封裝的過程中，還需要有一個能將光源導入的接口，或者直接將激光器封裝到整個板卡里，如何能夠讓激光器小型化，并且讓激光器和芯片靠得更近，是光子芯片領域未來亟待解決的問題。
總之，倒封裝技術在光子芯片領域還有極大的探索發(fā)展空間。
作者丨沈叢
編輯丨連曉東
美編丨馬利亞
