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AI芯片下一次材料突破：玻璃基板

文摘 2024-09-26 17:03 中国

“AI芯片下一次材料突破：玻璃基板”

芯片的有机材料基板将被玻璃取代

所有芯片都离不开基板，例如AMD的MI300X AI芯片就是由几块硅片构成的，这些硅片都集成在绿色基板上，它的功能是重新分配信号，这样芯片就可以与主板进行电子通信。

在过去的20年里，这种基板主要由有机材料或塑料制成，而且价格相当便宜，因此成为了行业标准。而未来十年甚至更长时间内，半导体行业最大的材料转变将是用玻璃代替这种基板。

玻璃更坚硬，适合大芯片设计

受人工智能加速和高性能计算需求的推动，行业正在转向越来越大的芯片，并在单个封装中塞入越来越多的芯片。今天芯片使用2.5D和3D封装技术，但4D、5D、5.5D封装技术正在研发中。按照目前的速度，现有技术预计将在2025年后失去动力，因此所有关键参与者都已开始向玻璃基板过渡。

玻璃有一些很好的物理特性。首先玻璃很坚硬，可以用它构建更大的芯片设计。而且使用玻璃可以避免任何形式的扭曲或弯曲。因此使用玻璃我们可以将更多的芯片封装在一起并增加单位面积晶体管的比例。在最近的一篇论文中，佐治亚理工学院在玻璃基板上封装了60个芯片，这大约是当前台积电CoWoS封装技术的 4 倍。

佐治亚理工学院的玻璃基板芯片验证

佐治亚理工学院和Meta的研究人员设计了一款芯片，他们使用玻璃将逻辑和内存芯片集成在5.5D封装系统（5.5D是结合了2.5D和3D堆叠的新概念）。

他们的研究表明，使用玻璃代替硅或有机材料作为基板，可以大大改善面积、功率和信号完整性。因此，首批采用玻璃的是高性能芯片，即 AI 加速器和数据服务器芯片。

玻璃基板的平面度能提高光刻精度

玻璃基板的另一个很大的优势是玻璃的制造工艺很成熟，我们可以把它制造得非常平整、非常薄、非常光滑，这对于光刻技术来说至关重要。光刻是芯片制造过程中的关键步骤之一，它用于在晶圆上创建非常微小的图案。而这首先需要一个非常平坦的基板。

玻璃基板可以做到比有机基板更平坦和光滑，从而实现更精确的光刻和更精细的特征图案。这将使我们能够将任何给定尺寸的组件更紧密地放置在一起，并均匀地曝光整个晶圆，因此缺陷更少，成本更低，这对于摩尔定律的延续至关重要。

低介电常数允许更高的频率

玻璃还具有非常低的介电常数，介电常数表明材料储存电能的能力。芯片中的RC时间常数对芯片的工作速度有很大的影响。其中C取决于材料的介电常数。具有低介电常数的玻璃意味着在寄生效应上消耗的能量更少，它允许更快的信号传播和更高的频率。

玻璃基板有更高的热稳定性

玻璃的另一大优势是热稳定性。玻璃的热膨胀系数非常低，至少比有机材料低五倍。它在高达600°C的温度下也能保持稳定。而热管理是现代GPU、AI GPU和 AI 芯片面临的最大挑战之一，因为AI 加速器和 GPU要不间断地处理大量数据。

当温度过高时，有机基板会开始降解，并会缠绕和弯曲，这通常会导致芯片各部分之间的结构变形和连接故障。之前NVIDIA Blackwell GPU推迟量产就与与散热有关。使用玻璃基板是解决热管理问题的潜在解决方案

与硅相同的热膨胀系数，避免热应力

虽然硅具有晶体结构，是半导体，而玻璃通常具有非晶体结构，是绝缘体，它们的电性能截然不同。但因为玻璃和硅都含有硅原子，所以玻璃的热膨胀系数（CTE）与硅非常相似。它们在高温下的膨胀速率相同，因此当我们将玻璃基板和硅芯片结合在一起时，我们可以避免任何热应力或任何类型的弯曲。

华为将钻石集成到玻璃芯片，降低30%热阻

玻璃基板是半导体行业的一个非常热门的话题，因此有很多研究正在进行中，在最近的一篇论文中，华为将钻石集成到玻璃芯片上，他们使用玻璃和顶部的钻石作为组合，旨在实现更好的热管理，通过这种方式，他们将热阻降低了30％，也就是将芯片的散热能力提高了30％。

台积电计划2025-2026推出玻璃基板芯片

台积电当然也在开发玻璃基板，它将用于其扇出型面板级封装，而这种封装在很大程度上受到人工智能加速器需求的推动。这项技术将以玻璃为基础，NVIDIA将是这项技术的首批采用者之一。台积电的目标是在2025-2026年让玻璃基板进入市场。

英特尔计划2026年前量产

AMD、三星等公司都已经在进行玻璃基板的生产。Intel已经在亚利桑那州为此建立了专门的研究设施，甚至已经制造出功能齐全的玻璃芯片。他们计划率先将玻璃芯片技术商业化，并计划在2026年前大规模生产。

材料和工艺需要进一步的研究

考虑到玻璃很容易破碎，因此需要添加一些专有混合物，以实现所需的电气和热性能。目前英特尔和其他公司正在研究使用哪种类型的玻璃最有效。一方面需要降低成本，另一方面需要研究制造工艺，以防止在运输和处理过程中出现边缘开裂或断裂。

当然，像任何技术创新一样，这项发展需要大量投资，它需要在制造工艺上进行巨大的转变，这对行业来说无疑将是一个昂贵的转型，而且这仍将需要几年的时间。

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