CHIPLET đóng gói tiên tiến (kỳ 1): Khúc cua trên lộ trình phát triển công nghệ bán dẫn

*

Kể từ năm 1965, khi Gordon E. Moore [1] công bố quan sát có tính dự báo về tốc độ thu nhỏ kích thước bóng bán dẫn rằng số lượng linh kiện bán dẫn mà chúng ta có thể ép vào một mạch tích hợp sẽ tăng gấp đôi mỗi năm, thì một thời gian dài sau đó, gần như mọi thứ liên quan tới ngành công nghiệp bán dẫn đều được tóm gọn trong bản báo cáo cập nhật của tổ chức ITRS (International Technology Roadmap for Semiconductors). Có thể nói khi đó chỉ có một lộ trình công nghệ duy nhất quyết định cách thức để đến được những nút tiến trình công nghệ tiếp theo.

Đến năm 2015, khi ITRS kết thúc sứ mệnh lịch sử của mình để chuyển sang trang sử mới IRDS (International Roadmap for Devices and Systems) [2], trong các bản báo cáo cuối cùng của mình, tuy vẫn có những dự báo về những nút tiến trình công nghệ ở các kích thước tiếp theo như: 8/7 nm vào năm 2019; 4/3nm vào năm 2024, … nhưng có nhiều hơn những báo cáo nói về tích hợp không đồng nhất [3], sơ đồ đóng gói 2.5D/3D, việc sử dụng vật liệu bán dẫn mới [4]. Đó là thời điểm định luật Moore nổi tiếng bắt đầu được diễn giải ở những chiều không gian mới.

Cho đến hiện nay, trong thị trường sản xuất chip, sự quan tâm gần như không còn dồn hết vào việc xưởng đúc nào đang sản xuất chip tại nút tiến trình công nghệ nhỏ nhất ở kích thước nào nữa mà đã có sự dịch chuyển sang việc ai đang đặt hàng đóng gói chip có hàng chục chiplet bên trong cho một ứng dụng chuyên biệt nào đó và xưởng đúc nào có khả năng đáp ứng được nhu cầu đó; hoặc hiệu suất trên mỗi watt là bao nhiêu; hay thậm chí có một số ứng dụng chẳng còn màng tới yếu tố công suất nữa mà yêu cầu bắt buộc kết hợp càng nhiều tính năng càng tốt trong một “bao bì” duy nhất.

Rõ ràng là cuộc đua giữa các hãng đúc chip đang trở nên phức tạp hơn trước đây rất nhiều, đã xuất hiện những ngã ba thay vì sẽ chỉ đi trên một lộ trình duy nhất. Trong tất cả sự phức tạp đó là hình ảnh của một thuật ngữ quan trọng, chiplet, thứ đã, đang và sẽ tạo ra thêm nhiều ngã ba nữa trên con đường phát triển của công nghệ bán dẫn trong tương lai.

Chiplet có thể hiểu chính là miếng lõi bán dẫn của những vi mạch điện tử (IC) rời rạc chưa được đóng gói. Trước đây, sau khi trải qua quá trình thiết kế, chế tạo, các miếng lõi bán dẫn này được cắt ra từ tấm wafer - miếng silicon mỏng, vật liệu nền để sản xuất vi mạch, đặt lên một bộ khung chắc chắn và tín hiệu được kết nối tới chân bên ngoài IC tạo thành những linh kiện rời rạc hoạt động theo một chức năng định sẵn (hình ảnh những con chip màu đen kích thước chỉ vài milimet vuông với nhiều “chân cẳng” màu trắng tua tủa ở xung quanh quen thuộc trong các bo mạch điện tử).

Khái niệm chiplet gắn liền với kỹ thuật tích hợp không đồng nhất, nghĩa là chúng ta có thể đặt các chiplet có chức năng khác nhau kết hợp lại trên cùng một bộ khung, đóng gói lại trong cùng một “bao bì” thành một IC có chức năng mới. (SiP – System in Package)

Nếu theo cách thức truyền thống, khi IC cần bổ sung một chức năng mới thì chúng ta cần trải qua quá trình từ đầu bằng công đoạn thiết kế, chế tạo, đóng gói, kiểm tra, rồi mới có thể sản xuất hàng loạt, quá trình này rất mất thời gian. Công nghiệp bán dẫn đã có một lịch sử phát triển tương đối dài, vô cùng nhiều linh kiện rời rạc đã được tối ưu, kiểm chứng về chức năng và quan trọng là luôn trong trạng thái sẵn sàng sản xuất hàng loạt. Đôi khi nhu cầu bổ sung chức năng mới chỉ là “tìm” và “ghép” cái đã có sẵn (LEGO), việc này sẽ rút ngắn thời gian giao hàng và đáp ứng hoàn hảo các yêu cầu thiết kế tùy chỉnh ngày càng trở nên phổ biến của khách hàng.

Thoạt nhiên, điều này nghe có vẻ tầm thường nhưng nếu đưa được những thiết kế dành riêng đáp ứng nhu cầu của từng lĩnh vực một cách nhanh chóng (nhanh hơn nhiều phương thức truyền thống) ra thị trường thì đó lại là lợi thế cạnh tranh có tính quyết định nhất và chính nó đang làm thay đổi cơ bản về cách thức thiết kế, sản xuất và đóng gói chip trong gần một thập niên vừa qua.