AI晶片技術專利系列五 - 輝達的GPU與台積電製程亦步亦趨
原文網址:
https://bit.ly/3WxOkbO
原文:
前面系列1到4談論的都是AI晶片的先進製程封裝技術與專利，本篇就來談論其上游IC設計
。2023年的第二季開始，IC設計公司中的營收第一名是輝達，同時也是首度擊敗以往的第
一、二名的高通(Qualcomm)與博通(Broadcom)。
其實自2023年初至2024年4月，輝達受惠於生成式AI的崛起，輝達的股價夯到不行，漲幅
一度超過500%，甚至其高階晶片H100好幾度供不應求。也正因為AI已逐漸找到各種創新的
應用場景，不論是汽車工業、AI伺服器、無人載具、影像顯示、生技醫藥、虛擬實境、軟
體工程、智慧城市或金融科技等領域，都使得GPU的需求大增，迫使輝達的執行長黃仁勳
三番兩次來台「綁樁」，鞏固其供應鏈能夠穩定接單、生產、交貨。
眾所周知，輝達專注在無晶圓廠的繪圖處理器GPU的設計，不同於本系列之前所提到的台
積電、英特爾、三星電子與格羅方德等晶圓廠的製造技術。為了與前面系列的技術有相同
的檢索基準，這次也同樣對AI系統-Lupix [1] 輸入與晶片堆疊有關的封裝技術特徵，「
CoWoS可進一步拆分為CoW 和 WoS，CoW就是Chip-on-Wafer，將晶片堆疊，而WoS就是
Wafer-on-Substrate，......，然後經由矽穿孔(Through-Silicon Via，TSV)技術來連結
下方PCB基板(substrate)，讓多顆晶片可封裝一起，以達到封裝體積小、功耗低、引腳少
、成本低等效果。」
AI掃描出的結果，找到幾件相關的專利，而其中標題為「具一高功率晶片和一低功率晶片
的低互連寄生現象的系統」（以下稱本專利）甚值關注，其台灣專利號為TWI515844B，而
對應的美國專利號為US9728481B2 (System with a high power chip and a low power
chip having low interconnect parasitics)，分別於2016/01/01和2017/08/08獲證，目
前本專利在機電技術領域中的專利價值之PR值(Percentile Rank)為96，也就是說，本專
利的專利價值在機電領域中贏過96%的相關專利。
一般來說，在單一IC封裝中，為了降低所有晶片在印刷電路板(PCB)上所佔據的面積，通
常會選擇將各晶片盡可能地在垂直方向做堆疊。這樣做還有另一個優點，那就是晶片與晶
片之間的互連路徑是最短的，這將有助於縮短訊號傳輸的時間。然而，這樣的堆疊方式卻
會衍生出散熱管理上的問題，例如高功率晶片（如CPU、GPU、NPU）堆疊在低功率晶片（
如記憶體或I/O晶片）之上或下時，高功率晶片運作時所產生的高熱，會負面地影響鄰近
的低功率晶片的效能。據此，本專利之發明就揭露一種在垂直方向上做晶片堆疊時，高、
低功率晶片之間不僅仍保有最短的互連路徑，而且還能有效隔絕高功率晶片所散發出來的
熱，更能降低IC中的寄生效應(parasitics)。
如圖1，係本專利所揭露的其中一種態樣的晶片堆疊結構示意圖。圖1中所示係在一
PCB(190)上承載著一高功率晶片(101)，並設置在一低功率晶片(102)的上方，其中低功率
晶片(102)則被嵌入在封裝基板(110)內，高功率晶片(102)設置在封裝基板(110)外部。此
外，依據本專利在獨立項中對高、低功率晶片的定義，高功率晶片(101)會產生至少10W的
熱量，而低功率晶片(102)則產生少於5W的熱量。當高功率晶片(102)運作時所散發出的高
熱，由於封裝基板(110)本身也有隔熱的作用，加上散熱裝置(131)可將高熱導引至IC的外
部，所以如記憶體這樣的低功率晶片(102)，就不易受到高熱而影響其運作效能。
此外，由於低功率晶片(102)又包含矽穿孔(125，TSV)，透過矽穿孔(125)與其外部的多個
已填入銅的穿孔(123)和導線(114)，可將PCB(190)與高功率晶片(101)電性連接起來，因
而在低功率晶片(102)和高功率晶片(101)之間，形成極短路徑長度的互連，進而造成快速
的訊號傳遞、降低雜訊干擾與寄生現象等優點。
圖1、本專利的其中一種態樣的晶片堆疊結構示意圖
再參考圖2，是本專利所揭露的另一種態樣的晶片堆疊結構示意圖，也是本專利的代表圖
。不難看出，圖2的晶片堆疊結構方式是基於圖1，只不過圖2的高功率晶片(301、302)是
橫向並排的組態，而低功率晶片(102A、102B)分別被設置在高功率晶片(301、302)的下方
，且被嵌入至封裝基板(110)中。
值得一提的是，根據專利說明書與圖2中的記載，「由一矽或玻璃基板形成的插入物(350)
，有著額外的IC晶片，如一或多個全球定位系統(GPS，Global Positioning System)晶片
、射頻(RF，Radio Frequency)收發器晶片、Wi-Fi晶片。這些額外的IC晶片可藉由插入物
(350)內設置的多層的金屬互連和穿孔與高、低功率晶片(301、302、102A、102B)電性連
接。此外，插入物(350)提供高功率晶片(301、302)和低功率晶片(102A、102B)之間的額
外隔熱，也因此而增加高功率晶片(301、302)之間的訊號傳遞。」
至於熱量分佈層(401)亦稱為「導熱管」(heat pipe)，為具有高導熱性的材料，例如銅或
鋁所組成，主要用來與低功率晶片(102)接觸，將低功率晶片(102A、102B)產生的熱量帶
離，以降低運作期間低功率晶片(102)所帶來的過熱風險。
圖2、本專利所揭露的另一種態樣的晶片堆疊結構示意圖
整體而言，本專利是針對三維空間在垂直方向上的晶片堆疊之互連做保護，目的是在解決
高功率晶片在大量運算時所散發的高熱，從而導致使晶片效能不彰與寄生現象。
記得輝達執行長黃仁勳在2023年11月，台積電創辦人張忠謀獲頒李國鼎獎之際，獲邀上台
致詞，並說「沒有台積電就沒有輝達」。因此，為了探究輝達與台積電之間的關係到底有
多緊密，利用本專利經過Lupix的語義分析比對，竟發現到一家「群成能源股份有限公司
」（該公司的前身為「群成科技」，於2021年成為台灣光罩集團100%的關係企業），早在
2010年12月22日就以美國優先權的方式，申請名為「三維系統級封裝疊層封裝結構」
(Three-dimensional system-in-package package-on-package structure)之專利，並於
2013年12月31日獲准美國專利，其專利號為US8619431B2（以下稱US 431專利）。
特別的是，就在2024年3月1日US 431專利已轉讓給台積電，而該US 431專利要解決的技術
方案，正好就與輝達的本專利所記載的技術有一些關聯。由其中的專利交易脈絡可推測出
，台積電不僅已經累積不少自家的3D IC製造方面的專利池，可能覺得專利佈局上仍有可
再精進之處，所以正透過專利交易手段進行專利組合，這可能意味著台積電在未來進攻3D
版的先進製程封裝的市場，有著強烈的企圖心，而現在正為了繼續保持「一個人的武林」
，陸續暗中築起固若金湯的專利保護壁壘。
也許有人會問：「台積電不斷強化3D版的先進製程封裝專利，難道是為了輝達
H100/H200/GB200 NVL72系列的產品嗎？」從輝達執行長黃仁勳自2023年下半年以來，頻
頻造訪台積電的動作來看，的確令人玩味。
心得:
輝達與台積電的合作關係似乎愈加緊密。從本專利與台積電之間的交易可見一斑，台積電
積極布局3D IC製造方面的專利，而輝達的需求似乎也在其中。輝達的GPU產品系列，尤其
是H100/H200/GB200 NVL72系列，或許正是台積電未來3D版先進製程封裝市場的主要對象
之一。黃仁勳頻頻造訪台積電，或許意味著兩家公司正著手共同探索更深層次的合作機會
，以在晶片技術的競爭激烈市場中保持領先地位。
--
※ 發信站: 批踢踢實業坊(ptt.cc), 來自: 203.145.192.245 (臺灣)
※ 文章網址: https://www.ptt.cc/bbs/Patent/M.1715213367.A.8AD.html