
tsmc的封裝技術
我們常聽到摩爾定律放緩、先進製程變貴,但你可能不知道,一顆 GPU 的設計,早已不只是交給台積電製程技術就能解決。從 Hopper(H100 / H200)、Blackwell 到 Rubin 系列,NVIDIA 採用的 CoWoS 封裝技術,成了算力爆發、版圖擴張的真正武器。
一個簡單卻關鍵的限制:光罩尺寸(reticle field size)。
在傳統光刻技術中,一張光罩的最大曝光尺寸大約為 26 mm × 33 mm(或約 858 mm²)。這個限制來自曝光機台的光學與機構設計,意味著:無論製程多先進,一塊晶圓上單顆晶片的最大尺寸無法超過這個限制。但算力要持續上升,NVIDIA 不甘被這個物理極限困住。他們找到的解法,不是把單顆晶片做得更大,而是把兩顆甚至更多顆 GPU「拼在一起」。這背後的主角,就是 CoWoS(Chip-on-Wafer-on-Substrate)。CoWoS 是什麼?為什麼成為 NVIDIA 的秘密武器?
CoWoS 是台積電開發的 2.5D 先進封裝技術,允許多顆晶粒(Die)透過矽中介層(silicon interposer)整合在同一封裝中。它不只是把晶片放在一起,而是讓他們透過高密度互連彼此高速溝通,就像把多個處理核心裝進一個超大型資料交換站。
2.5D 的核心概念是:晶粒彼此沒有堆疊(非垂直結構),但透過中介層在同一平面內緊密整合。
傳統 2D 封裝下,晶片彼此之間靠主機板或封裝基板連接,速度慢、延遲高。而 3D 封裝則是把晶粒垂直堆疊起來,透過 TSV(矽通孔)建立垂直連接,達到超高密度的資料交換。介於兩者之間的 2.5D,就是把晶粒水平放置在矽中介層(silicon interposer)上,再利用微小導線(RDL)與微凸塊(micro-bumps)彼此連結。這讓多個晶粒雖然不堆疊,卻能像共用神經網絡一樣協同工作。這樣的架構,既避免了 3D 封裝的散熱與良率難題,又能提供比 2D 更高的頻寬與資料傳輸效率,因此成為大型 GPU、AI 加速器的重要選擇。
早期的 NVIDIA A100 採用的是 TSMC 的 CoWoS-S(Silicon Interposer)封裝,搭配 6 顆 HBM2e,成功打造超過 1.5 TB/s 的記憶體頻寬。但這仍舊是一顆晶片 + 多顆記憶體的典型構型。到了 Hopper 世代的 H100,NVIDIA 開始打破 Reticle Size 限制,將兩顆大型 GPU die 放進同一封裝中,靠的是 CoWoS-S 的擴張能力。但這種設計也逼近矽中介層的物理極限。
進入 Blackwell(B100 / B200) 世代後,NVIDIA 與 TSMC 攜手轉向 CoWoS-L 架構。這是一種以 RDL 為基礎的模組化中介層設計,將矽中介層切分為多區塊組裝,避免了大片矽造成的良率瓶頸。這使得 B100 能夠支援更大的多晶片整合,同時仍維持封裝品質與成本可控。
根據 roadmap 預測,Rubin Ultra 更將挑戰 4× reticle size 封裝尺寸,等於一顆封裝模組的面積超過 3400 mm²,這將進一步考驗 CoWoS-L 與 TSMC 的整體生產能力與設備鏈。
CoWoS-S 與 CoWoS-L
最早的 CoWoS 技術版本稱為 CoWoS-S(Silicon interposer),適合將單顆大晶片搭配 HBM 高頻寬記憶體整合封裝。但當整體尺寸超過單一 interposer 容許範圍,良率與成本就成為問題。於是 TSMC 推出 CoWoS-L(Large-area, LSI-based Interposer),利用多片次元組成的混合矽中介層,降低風險並提升封裝靈活性。
Rubin Ultra 更是一個關鍵轉折,預計使用多達四個 reticle size 組合封裝,需要的 interposer 面積前所未有,這對製程穩定性、封裝機台、材料設計都是全新挑戰。
CoWoS-R
除了主流的 CoWoS-S(Silicon interposer)與 CoWoS-L(Large-area interposer)架構外,台積電也發展出名為 CoWoS-R 的變體,其核心是將傳統矽中介層(silicon interposer)改為 RDL Interposer(重佈線中介層)。
這項技術的設計理念是:在不使用矽製中介層的情況下,改由有機材料上多層重佈線(Redistribution Layer, RDL)取代,以降低成本並提升尺寸彈性。這對於面積要求極大,但對訊號傳輸密度要求略低的應用場景(如某些高記憶體帶寬 GPU 模組或加速器)格外有吸引力。目前雖然 NVIDIA 尚未明確宣布產品導入 CoWoS-R,但根據產業鏈動態與封裝需求趨勢,未來這類結合有機材料與 RDL 的封裝選項,可能成為某些中階產品或特殊加速器設計的成本優化解法。