過去AI晶片幾乎是運用在雲端。不過，從2018年開始，出現了一個很大推波助瀾的效應，也就是說，Edge運算的出現，造就Edge端跟雲端有很大的差異。

5G時代來臨代表的是一個高頻通訊的概念，而人工智慧則是代表高度的概念，所以高頻和高度這2個名詞，將會是代表未來晶片的封裝技術在新一代的研發過程當中，所需要面對的挑戰。

過去AI晶片幾乎是運用在雲端，因此大多是掌握在Facebook、Amazon或是Google上，因此在AI晶片製程的技術與市場規模上面，並沒有太大的推動力。不過，從2018年開始，出現了一個很大推波助瀾的效應，也就是說，Edge運算的出現，造就Edge端跟雲端有很大的差異。

基於這樣的趨勢帶動之下，全球封測與晶圓廠都爭相開發高速運算晶片的封裝技術，例如透過邏輯及記憶體晶片整合在矽中介層上，來高晶片整合效能，並且利用晶片切割後再整合，來達到降低製程成本（圖1）。

圖1 : 先進封裝產值趨勢。（source：工研院，智動化整理）

新到來的Edge市場 刺激新技術的研發

Edge端應用所帶來的挑戰和變化是，首先，在Edge端的市場裡通常AI晶片的單價不能太高，因為來自消費者市場階層的要求，不可能拿雲端的AI晶片在手機裡面，因為雲端的AI晶片價格最少一顆要1000美元，而目前高階手機的均價也都是在1000美元左右，所以不可以為了一支具有AI能力的手機，來加購一顆1000美元的AI晶片，所以晶片成本永遠是一個很重要的因素。

其次是，在Edge端會有耗電的問題，不像雲端的取電是經由市電或電源供應器，可以己乎永無止盡的獲得電力支援。因此對於Edge端所需的AI晶片耗電量就需要考量的。因此成本、耗電量跟體積這些事情，造就了面對新一代AI晶片的封裝呢，就不能用雲端的概念去思考（圖2）。

圖2 : AI運算從Cloud端到Edge端。（source：H-J Yoo(KAIST), ISSCC 2017）

因此在面臨高速通訊與AI的需求來說，Edge端的市場結構必須和雲端的思考做一個切割，把跟Edge端獨立變成一個商業市場來看，但是要面對這樣的一個新到來的Edge端市場，就免不了又要出現數量、價格的競爭需求，以及被期待的龐大市場商機。所以可以發現吸引了台灣業者先後湧入開發相關的產品。

但是就目前來說，AI晶片有4大問題，首先AI晶片不是一個通用型，而僅是半通用的架構，需要面對各種不同的運用跟情境設定，因此AI晶片需要客製化。其次，內建的memory要更低的耗電能力，可攜式產品的運用情況之下，就會有電池供電的問題存在，因此你的記憶體就不能耗太多力量。第三就是如何將這些AI晶片記憶體、CPU甚至未來所需的感測器整合在一起，因為這是把不同的Node整合在一起，因此這對於封裝來說是一個很大的挑戰。

最後就是一個AI系統的軟體開發，因為AI的應用幾乎都是客製化，因此不可能為了每一個客製系統，去反覆修改、測試和調整，因此最佳的期望是在軟體的開發過程當中，就可以把各種條件和要求做出來，再確認這樣設計是可行的，才開始進行晶片的設計開發，進而縮短整個設計過程。

透過更先進的3D封裝技術來達到期望

面對上述的種種問題，未來AI的硬體加速器會有幾個趨勢和要求，包括Low Power、Low Latency、Data Reuse和Data Locality。尤其是Low Power和Low Latency這2項就需要讓封裝業者花很多時間去解決（圖3）。

圖3 : AI硬體加速器需求 （source：工研院）

就Von-Neumann影像辨識架構AI晶片來看，在HPC裡面的系統需要置入CPU與Memory。當從CIS獲得影像之後，先存放到Memory，然後再去把原來放在裡面的資料取出，再送到GPU裡面進行 prediction後再回傳，如果比對有誤，就需要重新再找一筆資料，所以基本上來它的整個cycle是1到5的一個循環（圖4）。

圖4 : 利用逢紐曼架構產生高耗工運算（source：KAIST）

基本上，需要1024個Channe個I/O來進行傳送。因此整個運算過程當中，需要這麼多的步驟被執行，假設能夠將功率消耗降低的話，才有辦法能夠讓資料量變快。對於以PCB與IC所設計出來的雲端AI系統來說，根本不會擔心電力問題，但是對於應用在可攜式產品上的EDGE來說，就沒辦法了。

因此必須透過更先進的3D封裝技術來達到期望，因為3D的話，晶片之間傳送的路徑最短，也就代表耗電量最低。但是，以目前的技術層次來說，3D基本上還有很多問題。因此，目前眾多業者仍舊把大部分的精力放在改善2.5D封裝技術上，透過各種方法來改善耗電量，然後能夠真正在可攜式產品端使用。對於這方面，目前TSMC和INTEL都有一些概念提出來，希望能夠解決這樣的問題跟成本。例如，TSMC提出了一個SoIC概念，而INTEL則是提出EMIB(圖5)。

圖5 : 多晶片異質整合SiP方式。（source：工研院）

面對更高速的應用 AiP封裝技術正積極發展

因此相信在短時間的1、2年之內，會有很多2.5D、2.1D甚至2.XD被提出。所以基本上整體來看，其實都是因為運算所帶來的需求，前述的AI兩個大問題，一個是功耗，另一個是速度的問題。那速度的問題除了將配線做的更細之外，因為同時間要有更多的記憶體，所以Die的厚度會變的更薄，這就是一個大問題。

在晶片中Data的部分，因為5G的頻段比較高，因此呢它容易受到一些所相關的阻隔，因此在手機晶片設計上，晶片在封裝時都會加上AiP(Antennas in package)，為什麼Antennas in package變成非常重視？這個因為基本上利用傳統的PCB沒有辦法實現天線的結構，所以才會利用封裝的Wafer Level Processes將天線置入，並且將天線縮小，因為現有的4G通訊環境之下只需要一個天線就夠了，一個大片的天線就可以進行訊號的傳送接受了，但是相對的呢整個功率跟能量的損耗會比較大。

不過，面對更高速的應用，就無法以目前的技術來因應，因此在最近這幾年全球的晶片業者都相當積極的開發AiP的封裝技術，就是因為在系統端面對28 GHz、38 GHz的頻段時，是無法利用single pattern的方式達到，所以一定要用陣列方式，但又無法放入封裝裡，因此這是一個很大的挑戰。

圖6是一個RF chip上面有天線，而另外一種較簡單用Fan Out的模式，把模封材料(Molding Compound)整個應用在AiP，但是高頻的情況之下會有電磁干擾，因此模封材料原先不是用來做電磁干擾，只是用來做保護。

圖6 : 因5G帶動的RF FE模組新需求。（資料來源:工研院）

封裝從DIP等技術開始， 模封材料本來的責任就是指要保護晶片不要受到外面的傷害，但是到現在，不僅僅保護的功能還能在上面做線路的置劃。在這種情況之下，模封材料現在責任越來越大，以前只是配角，但是現在已經快變成主角，因為有很多的應用都會利用模封材料來當作一個載板，以及高頻的隔離和散熱，所以呢對於整個來說，因為新的需求，所以模封材料會有一個很大的挑戰。