芝能智芯出品
3D-IC(3D集成电路)正成为下一个半导体战场的核心。随着AI算力需求爆发,传统平面SoC难以满足功耗、性能和成本的三重压力,芯片堆叠方案成为破局关键。
英特尔、台积电与三星三巨头在材料、封装、互连、散热和EDA等多个维度展开角力,试图构建AI芯片新时代的技术栈,三家代工巨头在3D-IC战略上的布局与路径分歧,并探讨技术难点如何被逐一攻克。
Part 1
芯片进入“立体时代”:
3D-IC为何势在必行?
过去几十年,半导体行业仰赖摩尔定律的平面微缩推进,每一代新节点都带来性能提升与成本下降。
然而,物理极限和制造复杂度的提升让先进节点的收益逐步递减。特别是在AI芯片高度并行、带宽密集的计算模式下,传统SoC正遭遇“内存墙”“互连瓶颈”和“散热极限”的多重阻力。
3D-IC并非新概念,早在十多年前就进入代工厂路线图,但在ChatGPT引爆生成式AI的应用浪潮之前,其推进始终缓慢。
如今,AI芯片对高密度计算与高带宽内存的紧耦合提出更高要求,芯粒(chiplet)架构与先进封装成为显学,3D-IC再次成为焦点,走向大规模商用的临界点。
不同于简单的2.5D封装,真正的3D-IC需要:
◎ 多层堆叠:逻辑-缓存-内存垂直集成;◎ 精密互连:超小pitch互连技术如混合键合(Hybrid Bonding);◎ 热管理创新:导热通孔、蒸汽帽、微流体冷却等;◎ 新EDA方法:支持3D布局、热仿真、多物理场建模;◎ 全新供应链整合:从材料、工具到系统厂商的联动。
这些不再是单点技术突破,而是一场生态系统级的变革。
Part 2
三巨头“垂直化”路线图解析:
竞争与分歧并存
01
台积电:以CoWoS和SoIC为核心,布局分层封装生态
台积电是最早在3D封装领域建立量产能力的代工厂,其成功的关键在于将先进封装(Advanced Packaging)纳入与晶体管技术并行发展的主线战略。
台积电提出“系统级集成”的整体解决方案,涵盖:
◎ CoWoS(Chip-on-Wafer-on-Substrate):侧重于高带宽内存与逻辑芯片的2.5D集成;◎ SoIC(System on Integrated Chips):发展面对面堆叠(face-to-face)与面对背堆叠(face-to-back)技术;◎ 超键合技术(Super Bonding):互连间距持续缩小,从9μm向5μm演进;◎ 异构整合策略:不仅支持先进逻辑,还考虑将N-1、N-2节点逻辑与高密度缓存、模拟电路协同集成。
台积电强调晶体管技术与封装技术“必须齐头并进”,目标是通过密集堆叠将SRAM、HBM、逻辑模块紧耦合,解决数据流通瓶颈,释放AI芯片的计算效率。
02
英特尔:IDM 2.0下的系统级平台集成突破
英特尔的优势在于其垂直整合制造体系,能将EDA、设计、封装、封测贯穿一体,推出的Foveros Direct技术强调高密度堆叠和面向SRAM的垂直集成布局。例如:
◎ 14A逻辑层直接叠加于SRAM缓存层之上,最大化片上缓存使用率;◎ 借助EMIB(嵌入式多芯片互连桥)横向连接I/O与其他计算组件,实现带宽最优化;◎ 引入AI辅助EDA工具链,提升3D封装的可设计性与首次成功率;◎ 推动逻辑叠加(Logic-on-Logic)架构的商用落地。
英特尔认为,构建“高缓存+高带宽”的堆叠结构,是解决AI核心“计算-内存-带宽”协同瓶颈的关键。而这也正是其重返高性能市场的押注方向之一。
03
三星:LCOE+HBM+Foundry协同演进的3.5D方案
三星以HBM的垂直整合能力为起点,逐步向系统级堆叠推进,其路径更强调逻辑-内存协同设计。
其路线图显示:
◎ LCOE(Logic-Centric Over-layering):将SF2与SF4X逻辑芯片堆叠于另一基板,构成3.5D集成结构;◎ 计划于2027年将SF1.4与SF2P进行更高级别堆叠;◎ HBM的定制化推进AI芯片需求,甚至尝试为客户设计专属HBM配置;◎ 更注重系统厂商协同合作,通过联合设计定制封装方案。
三星的逻辑制程在先进节点方面略落后于台积电,但其在内存堆叠和热管理领域积累深厚,其3D-IC战略更偏向于“AI内存-逻辑协同整合”的商业化优先路径。
相比互连与EDA工具链,散热是阻碍3D-IC真正商用的最后一道关卡。三巨头都在推进不同的热管理技术:
◎ 导热通孔(TSV): 通过“微型烟囱”将热量导出,但TSV数量和分布需根据工作负载动态优化;◎ 蒸汽帽: 适用于数据中心环境,利用相变散热,有望替代部分风冷;◎ 微流体冷却: 在晶片中内嵌冷却通道,提升热交换效率,但制造复杂,尚未规模化;
AI训练芯片高功耗特性要求封装中冷热路径设计协同完成,EDA工具需支持热建模与动态工作负载仿真,挑战仍然巨大。3D-IC不是单纯的材料堆叠,而是一场涵盖EDA、封装、散热、测试、设计协同的全栈战役。
在这一阶段,谁能先打通设计-制造-封装-系统的垂直协同链条,谁就能在AI芯片新时代赢得主动权。
台积电强调封装即未来节点,英特尔押注缓存堆叠与系统整合,三星则联动HBM与逻辑协同推进。不同路径殊途同归,目标都是构建下一代“AI超级芯片平台”。
小结
3D-IC战争的下一阶段,
是系统而非技术的竞争
在3D-IC垂直堆叠走向主流的今天,决定胜负的不再是单点技术领先,而是整体系统架构与平台整合的能力。未来,芯片制造不再只是“制程之争”,更是“系统之战”。
原文标题 : 3D-IC三方混战:英特尔、台积电、三星如何“垂直突破”?