隨著高性能運算（HPC）、人工智慧（AI）和大數據分析的飛速發展，先進的封裝技術如CoWoS（Chip-on-Wafer-on-Substrate）在提升計算性能和效率方面顯得尤為重要，這篇文章將整理 CoWoS 技術的基本原理、應用領域、市場前景，以及這項技術對半導體行業的影響。
CoWoS 技術的基本原理
CoWoS 技術是由台積電（TSMC）推出的一種先進的封裝技術，基本原理是將多個處理器晶片 (如系統級晶片、SoC) 直接封裝在矽中介層上，這些晶片透過矽中介層上的矽穿孔（TSV）實現垂直連接，形成高度整合的系統封裝，最終，這個封裝好的矽中介層被整合到基板（如PCB 基板）上，從而大幅縮短晶片間的連接距離，這種方法能夠顯著縮短邏輯晶片與高頻寬記憶體（HBM）之間的距離，從而提高數據傳輸速率，降低延遲，提升整體系統性能。
具體而言，CoWoS 技術的關鍵在於其高度整合的封裝方式，透過在單一封裝中整合多個晶片，CoWoS 能夠提供更高的數據傳輸速率和更低的功耗，特別適合需要高性能、高效率計算的應用，例如 HPC 和 AI。
CoWoS-S, CoWoS-R, CoWoS-L 技術介紹
台積電 (TSMC) 的 CoWoS 技術平台包括 CoWoS-S、CoWoS-R 和 CoWoS-L，分別針對不同的高性能計算需求進行優化，這些技術透過先進的封裝和互連方法，大幅提升了系統性能和整合密度。
CoWoS-S：
CoWoS-S 是台積電的初代 CoWoS 技術，使用矽中介層進行系統級整合，這項技術允許將多個大於2倍光掩模（photomask）尺寸（約 1700 mm²）的中介層整合在一起，支援多達四個 HBM2/HBM2E 記憶體立方體，這種封裝方法顯著提升了高性能計算應用的性能和整合密度。
CoWoS-R：
CoWoS-R 是台積電在其 CoWoS 技術平台中的一員，專為提高系統整合度和性能而設計，結合了台積電的 InFO 技術，使用再分佈層（RDL）中介層進行晶片連接。
RDL 中介層： 再分佈層（Re-Distribution Layer, RDL）用於在晶片和封裝基板之間進行電氣連接的重新分佈；RDL 通常由聚合物材料和銅線構成，將晶片上的輸入/輸出（I/O）重新分佈到封裝的接觸點上；這將提供優越的機械柔性和電氣性能，使之能夠承受高密度互連並確保訊號完整性。
C4 接合點： 這些接合點透過 RDL 層連接不同的晶片和高頻寬記憶體（HBM），提供穩定可靠的電氣連接。
CoWoS-L：
CoWoS-L 是台積電 CoWoS 技術平台中的一種 chip-last 封裝技術，結合了 CoWoS-S 和 InFO 技術的優勢，使用局部矽互連（LSI）晶片進行晶片間互連和再分佈層（RDL）進行電源和訊號傳輸。
局部矽互連（LSI）： LSI 晶片用於晶片間的高密度互連，實現高效的數據傳輸和低延遲。
再分佈層（RDL）： RDL 層負責電源和訊的傳輸，提供穩定和可靠的電氣連接。
封裝結構： 從 1.5 倍光掩模尺寸的中介層開始，逐步擴展以整合更多晶片，適應不同應用需求。
CoWoS 技術面介紹與探討
多晶片整合
CoWoS（Chip-on-Wafer-on-Substrate）技術透過在同一基板上整合多個邏輯晶片和記憶體晶片，顯著縮短了晶片間的連接距離；這種技術透過以下方式實現更高的算力和更低的功耗：
矽中介層： 使用矽中介層（Silicon Interposer）進行晶片間的互連，矽中介層上具有數千到數萬個矽穿孔（TSV），這些穿孔能夠實現高密度的垂直互連，大幅縮短晶片間的距離。
高頻寬記憶體（HBM）： 將高頻寬記憶體（如 HBM2 或 HBM2E）直接封裝在矽中介層上，並與邏輯晶片相鄰放置，這種佈局減少了數據在記憶體和處理器之間傳輸的物理距離，從而提高了數據傳輸速率，降低了延遲。
再分佈層（RDL）和局部矽互連（LSI）： RDL 和 LSI 技術進一步提高了晶片間的連接密度和訊號完整性；RDL 透過多層銅線和聚合物材料實現電氣連接，而 LSI 則提供了高效的數據傳輸路徑。
電源和散熱管理： 先進的封裝設計確保了有效的電源管理和散熱解決方案，維持系統在高性能運行時的穩定性和可靠性。
高頻寬記憶體（HBM）
HBM 技術的應用是 CoWoS 技術的一大亮點，高頻寬記憶體（HBM，High Bandwidth Memory）是一種先進的記憶體技術，提供了更高的數據傳輸速率和更低的功耗。HBM 通常與處理器（如 CPU 或 GPU）整合在一起，並透過矽中介層實現高速互連。
垂直堆疊： HBM 採用垂直堆疊的方式，將多個 DRAM 晶片垂直堆疊在一起，通過矽穿孔（TSV）實現垂直連接，大幅減少了記憶體和處理器之間的物理距離。
寬總線 (Wide Bus) 設計： HBM 擁有比傳統 DRAM 更寬的數據總線，每個 HBM 堆疊都有 1024 位寬的數據總線，這使得它能夠以更高的頻寬傳輸數據；傳統 DRAM 的數據總線通常為 64 位元（bits），也就是說每次數據傳輸的位元數為 64，因此 HBM 的數據傳輸速率相比傳統 DRAM 提升了多達 8 倍。
低功耗： 由於垂直堆疊縮短傳輸路徑，減少傳輸過程中的能量損失，高效的電氣連接降低了電路中的電流需求，以及寬總線設計使 HBM 可以進行更高效的平行數據處理；因此 HBM 在提供高頻寬的同時，也顯著降低了功耗，這對於高性能計算和人工智慧應用尤為重要。
矽穿孔（TSV）技術
矽穿孔技術涉為在矽片上進行垂直方向的微小孔洞加工，這些孔洞被填充導電材料（通常是銅），從而形成電氣連接；這些通孔可以穿過整個矽片厚度，使得不同層的電路可以垂直連接，而不僅僅依賴於傳統的水平連接；TSV （Through-Silicon-Via）技術是 CoWoS 技術中的一個關鍵組成部分，TSV 是一種垂直連接技術，用於在矽片上實現高密度的垂直連接；透過使用 TSV 技術，CoWoS 技術能夠實現高密度、高效率的晶片間連接，從而提高系統性能。
熱管理與散熱
隨著晶片整合度的提高，熱管理成為 CoWoS 技術面臨的一個重要挑戰，為了有效地散熱，CoWoS 技術採用了先進的熱管理方案，例如：高效散熱材料（如銅、石墨烯）和散熱結構設計 (如熱界面材料 TIM)，確保系統在高性能運行時能夠保持穩定的溫度。
封裝設計與製造工藝
CoWoS 技術的成功離不開先進的封裝設計與製造工藝，這包含精密的晶片對位技術、高精度的封裝材料選擇，以及先進的製造工藝，確保每一個封裝步驟的高品質和高可靠性。
CoWoS 技術優勢
提高性能
CoWoS 技術透過將多個晶片整合到同一基板上，能夠顯著提高系統性能，這種整合方式縮短了數據傳輸距離，提高了傳輸速率，降低了延遲，從而提升了整體系統的計算能力。
降低功耗
傳統的多晶片系統往往因為連接距離較長，導致數據傳輸過程中損耗較大；CoWoS 技術透過縮短晶片間的距離，減少了數據傳輸過程中的能量損失，從而降低了整體系統的功耗。
提高可靠性
CoWoS 技術透過採用先進的封裝設計和製造工藝，提高了系統的可靠性；這些技術確保了每個晶片之間的穩定連接，減少了因為連接不良導致的故障風險。
靈活性與可擴展性
CoWoS 技術具有高度的靈活性和可擴展性。它可以根據不同的應用需求，靈活地整合不同類型的晶片，滿足多樣化的應用場景需求。
CoWoS 應用領域
高性能計算（HPC）
在高性能計算領域，計算能力的提升是科學研究和工程計算的核心需求；CoWoS 技術透過整合多個處理器和高頻寬記憶體，能夠顯著提升計算能力，滿足科學研究、工程模擬和數據分析的需求。
人工智慧（AI）
AI 應用需要大量的數據處理和分析能力；CoWoS 技術提供了所需的高效能運算平台，支援深度學習和機器學習模型的訓練和推理。透過提高數據傳輸速率和降低延遲，CoWoS 技術能夠加速 AI 演算法的運行，提高 AI 系統的效率和性能。
大數據分析
在大數據分析中，數據的快速處理和即時分析是關鍵。CoWoS 技術透過提高數據傳輸速率和計算效率，能夠顯著提升大數據分析的性能，幫助企業和研究機構更快地從大量數據中提取有價值的訊息。
5G和通訊網絡
隨著5G技術的普及，對於高效能網絡設備的需求也在增加。CoWoS 技術在通訊網路中的應用可以提升數據傳輸速率和訊號處理能力，滿足5G網路高頻寬、低延遲的需求。
汽車電子
智慧汽車和自動駕駛技術需要強大的計算能力來處理大量的傳感器數據和即時決策。CoWoS技術能夠提供所需的高性能運算平台，提供自動駕駛系統快速運算和實時反應，提升智慧汽車的安全性和可靠性。
市場預測與行業影響
根據多家權威機構的預測，CoWoS 技術將在未來幾年內顯著推動半導體行業的增長。
Gartner： Gartner 預測全球半導體營收在 2024 年將增長 16.8%，達到 6240 億美元；這個增長主要受到人工智慧（AI）工作負載的推動，特別是需要高效能 GPU 和加速卡的數據中心。
IDC： IDC 報告指出，高效能計算和 AI 技術的需求將推動半導體市場的持續增長，特別是在高頻寬記憶體和 SoC 整合方面。
TechInsights： TechInsights 預測 2024 年將成為半導體行業的創紀錄年，總營收預計超過 2022 年的高峰，並在未來十年內翻倍，達到超過一兆美元的規模。
AnandTech： AnandTech 報導，台積電計劃到 2026 年每年擴大其 CoWoS 產能 60%，以應對 AI 和高效能運算應用的需求增長。
TSMC Press Releases： 台積電和博通合作推出世界上第一個 2X 光掩模尺寸的中介層，這將大幅提升高效能計算系統的運算能力，有望顯著提升公司的營收。
AnySilicon： AnySilicon 提供了詳細的 CoWoS 技術介紹和應用案例，強調了這項技術在高性能計算、AI 和大數據分析中的優勢。
TrendForce： TrendForce 的報告深入分析了先進封裝技術，包括 CoWoS 技術，並探討了其在 AI、數據中心和 5G 等領域的應用。
DiskMFR： DiskMFR 介紹了 CoWoS 封裝技術在高效能運算、通訊網路、圖像處理和汽車電子中的應用，強調了這項技術如何透過整合多個處理器晶片和高速緩存來提升計算性能。
台積電官網： 台積電的 CoWoS 平台提供了最佳的性能和最高的整合密度，特別適用於高性能計算應用，官網詳細介紹了不同類型的CoWoS技術（如CoWoS-S、CoWoS-R和CoWoS-L）的特點和應用。
CakeResume： CakeResume 的指南詳細介紹了 CoWoS 技術在高性能計算、AI 和機器學習、5G 網路、汽車電子等領域的應用，並探討了該技術在熱管理、訊號完整性、測試和品質保證方面的挑戰。
IEEE Xplore： IEEE Xplore 提供了多篇有關 CoWoS 技術的研究論文，深入探討了其技術原理、應用場景和未來發展方向。
Nature Electronics： Nature Electronics 發表了多篇有關先進封裝技術的論文，其中包括對 CoWoS 技術的詳細分析和研究。
ScienceDirect： ScienceDirect 上的多篇文章詳細介紹了 CoWoS 技術的技術原理、應用案例和市場前景。
Nature Communications： Nature Communications 發表了多篇有關先進半導體技術的論文，其中包括對 CoWoS 技術的深入研究。
IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology： 這個期刊發表了多篇有關 CoWoS 技術的研究論文，深入分析了其技術細節和應用場景。
CoWoS 技術挑戰與未來發展
儘管CoWoS技術在提升計算性能和效率方面展現了巨大的潛力，但其也面臨一些挑戰。
熱管理
隨著晶片整合度的提高，熱管理成為一個重要挑戰。如何有效地散熱，防止過熱對系統性能和可靠性的影響，是 CoWoS 技術需要解決的問題之一，為此，研究人員和工程師正在開發各種先進的熱管理技術，例如：高效散熱材料、主動散熱技術、和創新的散熱結構設計，以確保系統在高性能運行時能夠保持穩定的溫度。
訊號完整性
在高密度封裝中，保持訊號的完整性和穩定性也是一個挑戰。訊號干擾和延遲可能會影響系統的性能，必須透過優化設計和製造工藝來解決，括改進 TSV 的設計，優化訊號路徑，以及採用先進的材料和技術來減少訊號損耗和干擾。
測試和品品質保證
高密度封裝技術的測試和品質保證難度較大，需要更多的技術投入和創新來確保產品的可靠性和性能；隨著晶片數量的增加，測試的覆蓋範圍和精度也需要相應提高，為此，業界正在開發自動化測試技術和先進的測試設備，以提高測試效率和準確性。
未來發展方向
未來隨著技術的不斷進步，這些挑戰有望得到逐步解決，CoWoS 技術將會在更多領域展現其優勢，以下是幾個可能的發展方向：
更高密度的整合
隨著製造工藝的進步，CoWoS 技術將能夠實現更高密度的晶片整合，更進一步提升系統的計算能力和效率，滿足更高性能計算和更複雜應用的需求。
先進材料的應用
先進材料的應用將有助於提升 CoWoS 技術的性能和可靠性，例如：高導熱材料的應用可以提高熱管理效率，新型半導體材料的應用可以提升晶片的性能和功耗表現。
智能化製造技術
智能化製造技術的應用將提高 CoWoS 技術的生產效率和品質，例如，透過引入機器學習和人工智慧技術，可以實現生產過程的自動化和智能化，提高生產效率和產品品質。
新型應用場景的拓展
隨著技術的不斷成熟，CoWoS 技術的應用場景將不斷拓展，例如，在醫療電子、物聯網和智慧居家等領域，CoWoS技術將展現出廣闊的應用前景，推動這些領域的技術進步和產業發展。
CoWoS技術作為一種先進的封裝技術，透過提高計算性能和效率，在高性能運算、人工智慧、大數據分析、5G 通訊和汽車電子等領域展現了廣泛的應用前景；隨著技術的進一步成熟和市場需求的增加，CoWoS技術將在未來幾年內顯著推動半導體行業的發展，成為高性能計算的關鍵技術。