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半导体

倒封装技术助力,光子芯片发展提速

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近日,全球领先的光子计算芯片公司曦智科技发布了最新光子计算处理器——PACE (Photonic Arithmetic Computing Engine,光子计算引擎)。该处理器的单个光子芯片中集成了超过10000个光子器件,可在1GHz系统时钟下运行,提供的算力是上一代处理器的100万倍以上,运行特定神经网络的速度比英伟达的RTX3080还要快350倍。

光子芯片之所以能取得这样快速的进步,一定程度上是源于芯片封装技术上的重大突破,PACE的核心部分由一块集成硅光片和一块CMOS微电子芯片采用倒封装(Flip Chip)而成。

从封装到倒封装

对大多数人而言,倒封装技术并不熟知。简单来说,传统的封装技术是将裸片放置在引脚上,随后用引线将裸片上的金属接触点和引脚进行连接,但采用传统封装技术的芯片面积较大,已经难以满足变得越来越小的智能设备。因此,一种具备高性能、低成本、微型化、高可靠性的封装方式——倒封装技术应运而生。

据了解,倒封装是一种先进的封装技术,有别于传统封装技术,倒封装技术是将芯片连接凸点,然后将芯片翻转使凸点与基板直接连接。此外,为适应柔性基板材料,倒封装采用的键合材料是以导电胶为主,来实现芯片与天线焊盘的互连。

倒封装技术最大的特点在于倒装焊接芯片,需要对芯片进行二次布线设计并进行植球阵列,再设计BGA(球栅阵列)或者PGA(插针网格阵列)的基板后,将芯片与BGA/PGA进行对准和固定,最后焊接时再将其放到回流炉中进行回流。

因此,倒封装技术拥有更多的IO接口数量、封装尺寸更小、电气性更佳、散热性更佳、结构特性更稳定等优点。也因此,倒封装技术大量应用于高性能的CPU、GPU、FPGA、DSP等器件中。

倒封装助力光子芯片发展

倒封装技术并非新的技术。早在上个世纪60年代,IBM公司已研发并使用了这项技术。随着发展,倒封装技术在光子芯片领域又得到了进一步的应用。

曦智科技创始人兼CEO沈亦晨介绍,在光子芯片领域中,封装方面一直是一个瓶颈。光芯片上的几万个光器件与电芯片需要一起深度协同工作,每一个光器件都要通过电芯片来获得指令,如何让电芯片给上万个光器件同时发号施令,并且还能够让它们在纳秒级别的时间内进行统一且有序地运算,是相当庞大且复杂的工程。

据了解,传统光子芯片上的每一个器件都需要通过铜导线外接到板卡上,再通过外部器件去控制。但目前的硅光技术已经在单个光芯片上集成了上万个光器件,传统的封装方式难以适用,需要新的封装模式来达成。在此次曦智科技最新发布的PACE芯片中,采用倒封装技术将芯片核心部分的硅光片和一块CMOS微电子芯片进行集成,大大提升了芯片的集成度,从而增强芯片性能。

“光子芯片的器件集成密度非常高,因此也需要高密度的互联方式,而倒封装技术的特性刚好符合这个要求。”中科院微电子所副所长曹立强向《中国电子报》记者表示。

在光子芯片领域,倒封装技术发挥出了其更大的能效,大大推动了光子芯片的发展。

诸多技术瓶颈待破

随着传统摩尔定律趋于尾声,光子芯片技术的出现,让人们在后摩尔时代看到新的曙光。倒封装技术的加持进一步推动了光子芯片的发展。不过倒封装技术在光子芯片领域的应用仍然存在诸多技术瓶颈。

曹立强表示,光子芯片在倒封装过程中所采用的材料,将会面临比较高的挑战。随着光子芯片集成度的不断提升,所需材料的密度更高,颗粒度更细。此外,为了能够在倒封装的过程中顺利绕过所有倒装焊接的凸点,对材料要求流动性较强,且可靠性要高,若想达成,绝非易事。并且,随着所需材料工艺变得更加精细,价格自然水涨船高,在成本方面也难以把控。

沈亦晨也表示,对于光子芯片而言,在封装的过程中,还需要有一个能将光源导入的接口,或者直接将激光器封装到整个板卡里,如何能够让激光器小型化,并且让激光器和芯片靠得更近,是光子芯片领域未来亟待解决的问题。

总之,倒封装技术在光子芯片领域还有极大的探索发展空间。

责任编辑:赵强


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