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近日，全球领先的光子计算芯片公司曦智科技发布了最新光子计算处理器——PACE (Photonic Arithmetic Computing Engine，光子计算引擎)。该处理器的单个光子芯片中集成了超过10000个光子器件，可在1GHz系统时钟下运行，提供的算力是上一代处理器的100万倍以上，运行特定神经网络的速度比英伟达的RTX3080还要快350倍。
光子芯片之所以能取得这样快速的进步，一定程度上是源于芯片封装技术上的重大突破，PACE的核心部分由一块集成硅光片和一块CMOS微电子芯片采用倒封装（Flip Chip）而成。
从封装到倒封装
对大多数人而言，倒封装技术并不熟知。简单来说，传统的封装技术是将裸片放置在引脚上，随后用引线将裸片上的金属接触点和引脚进行连接，但采用传统封装技术的芯片面积较大，已经难以满足变得越来越小的智能设备。因此，一种具备高性能、低成本、微型化、高可靠性的封装方式——倒封装技术应运而生。
据了解，倒封装是一种先进的封装技术，有别于传统封装技术，倒封装技术是将芯片连接凸点，然后将芯片翻转使凸点与基板直接连接。此外，为适应柔性基板材料，倒封装采用的键合材料是以导电胶为主，来实现芯片与天线焊盘的互连。
倒封装技术最大的特点在于倒装焊接芯片，需要对芯片进行二次布线设计并进行植球阵列，再设计BGA（球栅阵列）或者PGA（插针网格阵列）的基板后，将芯片与BGA/PGA进行对准和固定，最后焊接时再将其放到回流炉中进行回流。
因此，倒封装技术拥有更多的IO接口数量、封装尺寸更小、电气性更佳、散热性更佳、结构特性更稳定等优点。也因此，倒封装技术大量应用于高性能的CPU、GPU、FPGA、DSP等器件中。
倒封装助力光子芯片发展
倒封装技术并非新的技术。早在上个世纪60年代，IBM公司已研发并使用了这项技术。随着发展，倒封装技术在光子芯片领域又得到了进一步的应用。
曦智科技创始人兼CEO沈亦晨介绍，在光子芯片领域中，封装方面一直是一个瓶颈。光芯片上的几万个光器件与电芯片需要一起深度协同工作，每一个光器件都要通过电芯片来获得指令，如何让电芯片给上万个光器件同时发号施令，并且还能够让它们在纳秒级别的时间内进行统一且有序地运算，是相当庞大且复杂的工程。
据了解，传统光子芯片上的每一个器件都需要通过铜导线外接到板卡上，再通过外部器件去控制。但目前的硅光技术已经在单个光芯片上集成了上万个光器件，传统的封装方式难以适用，需要新的封装模式来达成。在此次曦智科技最新发布的PACE芯片中，采用倒封装技术将芯片核心部分的硅光片和一块CMOS微电子芯片进行集成，大大提升了芯片的集成度，从而增强芯片性能。
“光子芯片的器件集成密度非常高，因此也需要高密度的互联方式，而倒封装技术的特性刚好符合这个要求。”中科院微电子所副所长曹立强向《中国电子报》记者表示。
在光子芯片领域，倒封装技术发挥出了其更大的能效，大大推动了光子芯片的发展。
诸多技术瓶颈待破
随着传统摩尔定律趋于尾声，光子芯片技术的出现，让人们在后摩尔时代看到新的曙光。倒封装技术的加持进一步推动了光子芯片的发展。不过倒封装技术在光子芯片领域的应用仍然存在诸多技术瓶颈。
曹立强表示，光子芯片在倒封装过程中所采用的材料，将会面临比较高的挑战。随着光子芯片集成度的不断提升，所需材料的密度更高，颗粒度更细。此外，为了能够在倒封装的过程中顺利绕过所有倒装焊接的凸点，对材料要求流动性较强，且可靠性要高，若想达成，绝非易事。并且，随着所需材料工艺变得更加精细，价格自然水涨船高，在成本方面也难以把控。
沈亦晨也表示，对于光子芯片而言，在封装的过程中，还需要有一个能将光源导入的接口，或者直接将激光器封装到整个板卡里，如何能够让激光器小型化，并且让激光器和芯片靠得更近，是光子芯片领域未来亟待解决的问题。
总之，倒封装技术在光子芯片领域还有极大的探索发展空间。
作者丨沈丛
编辑丨连晓东
美编丨马利亚
