导入大小核/3D IC 移动处理器迈向更高整合

2013-06-04 07:02:57来源: 新电子
    行动装置规格升级带动处理器设计架构转变。行动装置对轻薄、功耗及成本的要求日益严苛,除刺激联发科、三星等大厂争相采用big.LITTLE大小核架构设计新一代处理器外,亦驱动半导体厂加紧研发3D IC,以满足市场对更高整合度处理器的需求。

采用big.LITTLE架构的行动处理器系统单晶片(SoC)将全数出笼。随着行动装置对效能与功耗表现的要求愈来愈严格,包括联发科、三星(Samsung)及瑞萨行动(Renesas Mobile)等处理器业者,均陆续改用安谋国际(ARM)提出的big.LITTLE大小核混搭架构,开发新一代多核心处理器,并将于今年大举推出相关产品,抢占高阶智慧型手机市场。  
此外,手机内部处理器、电源管理晶片(PMIC)及触控IC正加速整合,单靠半导体制程演进已渐不敷IC设计商大幅微缩晶片体积,并降低成本的殷切需求,使半导体供应链业者竞相加重三维晶片(3D IC)研发投资,以配合先进制程的导入,实现更高整合度的晶片解决方案。  

抢进高阶智慧手机 big.LITTLE处理器夯


图1    ARM移动通讯暨数位家庭行销经理林修平认为,异质系统架构也将是未来行动SoC发展重点,ARM已加入相关标准组织共同制定规范。
ARM移动通讯暨数位家庭行销经理林修平(图1)表示,由于智慧型手机功能规格不断升级,同时又要兼顾续航力,因此ARM遂跳脱旧有多核心处理器设计方式,进一步推出big.LITTLE大小核心架构,期针对不同效能需求的手机工作任务,以最佳的核心处理,进而减轻系统负担。  

big.LITTLE的概念与油电混合车(HEV)如出一辙,可随时切换运作模式,达成较佳的手机效能与功耗规格。如手机70%以上时间处于待机或轻载状态,以低功耗核心处理就绰绰有余;至于需高度运算的少数情境下,则以高效能核心拉高时脉。 现阶段,big.LITTLE不仅已吸引近十家处理器大厂授权,包括三星、诺基亚(Nokia)及华为等手机品牌厂亦已计划在新产品中导入,足见此一创新SoC架构已成为行动装置供应链业者的布局重点。  

除手机、平板晶片业者逐渐往big.LITTLE架构靠拢外,日本的电视SoC开发商,以及ARM架构伺服器晶片供应商均已研拟导入big.LITTLE方案,从而减轻产品在低负载下的耗电量。  

林修平指出,今年将是big.LITTLE多核心处理器的起飞元年,初期将锁定高阶手机,待明年晶片价格下滑后,即可望渗透至中高价位手机市场。未来1?2年big.LITTLE方案也将获得更多应用处理器开发商青睐,并进一步在平板装置中扩大影响力。  

事实上,联发科已计划借重big.LITTLE技术,全力在平板市场开疆辟土。看好平板市场成长潜力,联发科去年下半年即开始扩大投资平板晶片研发,并于今年初陆续取得宏碁等品牌厂订单,表现亮眼;今年第三季则将再祭出两款28奈米(nm)四核心处理器--MT6582及MT8135,其中一款即采用big.LITTLE架构。  

扩张平板市占 联发科力推大小核AP

联发科总经理谢清江表示,联发科目前在平板晶片市场的表现较去年底预期好很多,且今年下半年还会有两款新产品问世,有助持续扩大渗透率,因此该公司近期已将2013年全年平板晶片出货目标,由原先的五百万到一千万颗大幅上调至一千万到一千五百万颗;并将祭出多元客户的市场发展策略,积极拉拢行动装置、个人电脑(PC)品牌厂及资讯服务商(如电子书业者)。  

谢清江强调,新一代内建四核心ARM Cortex-A7的MT6582将于今年第三季底量产,并导入28奈米制程。同时,联发科亦正如火如荼开发big.LITTLE大小核SoC--MT8135,将整合两颗高效能Cortex-A15和两颗低功耗Cortex-A7核心的混合设计方式,以满足高阶平板应用须兼顾晶片效能、尺寸与功耗的要求。目前该方案已开始提供品牌客户样品,预计于第三季小量量产。  

显而易见,联发科去年底以四核心手机处理器平台跨足平板市场,甚至加码推出平板专用的四核心应用处理器都只是小试身手,今年下半年两款更先进的平板晶片才将真正火力全开。目前该公司平板晶片已有50%以上的比重系出货予品牌大厂,且市占率正持续飙高;下半年两款性价比更出色的新产品出炉后,可望吸引更多品牌、资讯服务甚至白牌业者青睐。  

谢清江指出,年底旗下首款LTE多频多模晶片也将问世,将搭配四核心应用处理器,协助客户的新产品升级4G规格。2014年则将再发布整合应用处理器与LTE基频处理器的四核心SoC。  

因应IC设计业者对big.LITTLE架构的需求,林修平强调,从Cortex-A7/A15以后,ARM未来的处理器核心都会以支援big.LITTLE为主要考量;同时将投资更多软硬体开发资源,加速下一代big.LITTLE方案问世。其中,三维(3D)电晶体或3D IC设计将是后续重要发展方向,目前ARM已与台积电、多家晶片商共同研发16奈米鳍式电晶体(FinFET),以及立体晶片堆叠制程。  
手机晶片疯整合 3D IC非玩不可
平价高规智慧手机兴起,加速驱动内部晶片整合与制程演进;然而,20奈米以下制程研发成本极高,但所带来的尺寸与功耗缩减效益却相对有限,因此半导体厂已同步展开3D IC开发,以实现更高的晶片整合度,其中,三星已率先宣布将于明年量产。 

拓墣产业研究所半导体中心研究员蔡宗廷表示,2013?2015年手机内部晶片将以应用处理器为核心不断向外整并,并导入20奈米以下先进制程,包括基频处理器、联网模组及射频(RF)收发器均将合而为一。此外,电源、影音和触控IC也将逐步整合成SoC;而各种微机电系统(MEMS)感测器则透过封装技术组成感测器集线器(Sensor Hub),届时手机内部标配晶片将从2012年的十二颗,迅速缩减至六颗左右(表1)。 


众所皆知,提高晶片整合度的关键在于制程微缩,然而,晶圆厂从28奈米跨入20奈米后,因面临半导体材料物理特性极限,以及钜额的设备投资,闸极制作成本却仅能下降3.34%,远远落后前几代10?33%的水准;而面积也只缩减28%,不如先前每一代演进大多能达到40%的改善;种种因素将导致20奈米约当八寸晶圆价格飙涨35.42%。 

随着制程微缩的投资报酬率逐渐失衡,半导体厂遂转攻3D IC。2013年新加坡国际半导体展(SEMICON Singapore)中,三星、高通(Qualcomm)均揭橥新一代Wide I/O记忆体加逻辑晶片的立体堆叠设计,前者因同时拥有记忆体与应用处理器技术,更一马当先宣布将于2014年投产。 

对封测业者而言,3D IC更将是巩固未来营收的重要武器。蔡宗廷分析,一旦手机标配晶片的封装需求砍半,将大幅影响封测厂营收来源,因而刺激矽品和星科金朋(STATS ChipPAC),积极布局技术含量及毛利较高的3D IC封装技术,包括晶片面对面堆叠(F2F Stacking)、2.5D矽中介层(Interposer)等。 

除封测厂外,台积电也全力冲刺CoWoS(Chip on Wafer on Substrate)制程商用,吸引设备厂加紧部署新方案。蔡宗廷透露,3D IC须进行矽穿孔(TSV),流程相当耗时,导致成本高昂;为此,东京威力科创(Tokyo Electron)近期已发布一套新流程,并透过改良蚀刻(Etching)、清洗(Cleaning)和内埋(Liner)设备,节省晶圆阻挡层(Barrier)、化学机械研磨(CMP)的制作时程,让3D IC晶圆生产加快一倍。同时,由于台积电正逐渐增加在地采购比重,因此台商弘塑也已投入研发3D IC蚀刻设备,积极争取订单。 

蔡宗廷强调,行动装置平价高规的发展势不可当,以苹果(Apple)为例,从2010年推出售价650美元的iPhone 4以来,下两代产品价位均维持同样水准,但显示面板、处理器和记忆体等硬体规格却大幅跃进;同样的状况也发生在其他Android手机品牌上,因而加重晶片商产品整合度、生产成本压力。

关键字:大小核  3D  IC

编辑:北极风 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/xfdz/2013/0604/article_22464.html
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