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近日，全球領(lǐng)先的光子計(jì)算芯片公司曦智科技發(fā)布了最新光子計(jì)算處理器——PACE (Photonic Arithmetic Computing Engine，光子計(jì)算引擎)。該處理器的單個(gè)光子芯片中集成了超過10000個(gè)光子器件，可在1GHz系統(tǒng)時(shí)鐘下運(yùn)行，提供的算力是上一代處理器的100萬倍以上，運(yùn)行特定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的速度比英偉達(dá)的RTX3080還要快350倍。
光子芯片之所以能取得這樣快速的進(jìn)步，一定程度上是源于芯片封裝技術(shù)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(shù)并不熟知。簡單來說，傳統(tǒng)的封裝技術(shù)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(diǎn)和引腳進(jìn)行連接，但采用傳統(tǒng)封裝技術(shù)的芯片面積較大，已經(jīng)難以滿足變得越來越小的智能設(shè)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(shù)應(yīng)運(yùn)而生。
據(jù)了解，倒封裝是一種先進(jìn)的封裝技術(shù)，有別于傳統(tǒng)封裝技術(shù)，倒封裝技術(shù)是將芯片連接凸點(diǎn)，然后將芯片翻轉(zhuǎn)使凸點(diǎn)與基板直接連接。此外，為適應(yīng)柔性基板材料，倒封裝采用的鍵合材料是以導(dǎo)電膠為主，來實(shí)現(xiàn)芯片與天線焊盤的互連。
倒封裝技術(shù)最大的特點(diǎn)在于倒裝焊接芯片，需要對芯片進(jìn)行二次布線設(shè)計(jì)并進(jìn)行植球陣列，再設(shè)計(jì)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(jìn)行對準(zhǔn)和固定，最后焊接時(shí)再將其放到回流爐中進(jìn)行回流。
因此，倒封裝技術(shù)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(diǎn)。也因此，倒封裝技術(shù)大量應(yīng)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(shù)并非新的技術(shù)。早在上個(gè)世紀(jì)60年代，IBM公司已研發(fā)并使用了這項(xiàng)技術(shù)。隨著發(fā)展，倒封裝技術(shù)在光子芯片領(lǐng)域又得到了進(jìn)一步的應(yīng)用。
曦智科技創(chuàng)始人兼CEO沈亦晨介紹，在光子芯片領(lǐng)域中，封裝方面一直是一個(gè)瓶頸。光芯片上的幾萬個(gè)光器件與電芯片需要一起深度協(xié)同工作，每一個(gè)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(gè)光器件同時(shí)發(fā)號(hào)施令，并且還能夠讓它們在納秒級(jí)別的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行統(tǒng)一且有序地運(yùn)算，是相當(dāng)龐大且復(fù)雜的工程。
據(jù)了解，傳統(tǒng)光子芯片上的每一個(gè)器件都需要通過銅導(dǎo)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(shù)已經(jīng)在單個(gè)光芯片上集成了上萬個(gè)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(dá)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(shù)將芯片核心部分的硅光片和一塊CMOS微電子芯片進(jìn)行集成，大大提升了芯片的集成度，從而增強(qiáng)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(shù)的特性剛好符合這個(gè)要求。”中科院微電子所副所長曹立強(qiáng)向《中國電子報(bào)》記者表示。
在光子芯片領(lǐng)域，倒封裝技術(shù)發(fā)揮出了其更大的能效，大大推動(dòng)了光子芯片的發(fā)展。
諸多技術(shù)瓶頸待破
隨著傳統(tǒng)摩爾定律趨于尾聲，光子芯片技術(shù)的出現(xiàn)，讓人們在后摩爾時(shí)代看到新的曙光。倒封裝技術(shù)的加持進(jìn)一步推動(dòng)了光子芯片的發(fā)展。不過倒封裝技術(shù)在光子芯片領(lǐng)域的應(yīng)用仍然存在諸多技術(shù)瓶頸。
曹立強(qiáng)表示，光子芯片在倒封裝過程中所采用的材料，將會(huì)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(xì)。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(diǎn)，對材料要求流動(dòng)性較強(qiáng)，且可靠性要高，若想達(dá)成，絕非易事。并且，隨著所需材料工藝變得更加精細(xì)，價(jià)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(gè)能將光源導(dǎo)入的接口，或者直接將激光器封裝到整個(gè)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(lǐng)域未來亟待解決的問題。
總之，倒封裝技術(shù)在光子芯片領(lǐng)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
