10年で5世代の進化を遂げた高性能パッケージング技術「CoWoS」（前編）：福田昭のデバイス通信（334） TSMCが開発してきた最先端パッケージング技術（7）

今回からは、高性能コンピューティング（HPC）向けパッケージング技術「CoWoS（Chip on Wafer on Substrate、コワース）」を解説する。

[福田昭，EE Times Japan]

インターポーザの異なる3種類の「CoWoS」

　高性能プロセッサとその関連技術に関する国際学会「Hot Chips」がことし（2021年）8月22日〜24日にオンラインで開催された。「Hot Chips」は高性能プロセッサの最新技術情報を入手できる貴重な機会として知られている。会期は3日間で、初日が「チュートリアル（Tutorials）」と呼ぶ技術講座、2日目と3日目が「カンファレンス（Conference）」と呼ぶ技術講演会となっており、講演会とは別にポスター発表の機会も用意される。オンライン開催となったことしは、あらかじめ録画されたビデオをプログラムに沿って公開する形式となった。参加登録者は開催後も一定の期間は、オンデマンドで講演を聴講できる。

　初日の「チュートリアル（Tutorials）」では、13件の講演が実施された。その中で「先進パッケージング技術」に関する講演「TSMC packaging technologies for chiplets and 3D（チップレットと3次元集積に向けたTSMCのパッケージング技術）」が極めて興味深かった。講演者はTSMCで研究開発担当バイスプレジデント（現在はシステム集積化手法開発担当バイスプレジデント）をつとめるDouglas Yu氏である。

　そこで本講演の概要を第328回から、シリーズでお届けしている。なお講演の内容だけでは説明が不十分なところがあるので、本シリーズでは読者の理解を助けるために、講演の内容を適宜、補足している。あらかじめご了承されたい。

講演「TSMC packaging technologies for chiplets and 3D（チップレットと3次元集積に向けたTSMCのパッケージング技術）」のアウトライン［クリックで拡大］ 出所：TSMC（Hot Chips 33の講演「TSMC packaging technologies for chiplets and 3D」のスライドから）

　第330回から前回まではモバイル向け小型薄型パッケージング技術「InFO（Integrated Fan-Out、インフォ）」の改良版を説明してきた。今回からは、高性能コンピューティング（HPC）向けパッケージング技術「CoWoS（Chip on Wafer on Substrate、コワース）」を解説していこう。

　本シリーズの初回（第328回）でも説明したように、TSMCは「CoWoS」を中間基板（インターポーザ）の違いによって3種類に分けている。1つはシリコン（Si）基板をインターポーザとする「CoWoS_S（Silicon Interposer）」である。このタイプは2011年に開発された最初の「CoWoS」技術であり、過去に「CoWoS」とは、シリコン基板をインターポーザとする先進パッケージング技術を意味していた。

　もう1つは再配線層（RDL）をインターポーザとする「CoWoS_R（RDL Interposer）」である。3つ目は、シリコンの小さなダイ（チップ）とRDLをインターポーザとする「CoWoS_L（Local Silicon Interconnect and RDL Interposer）」だ。なお「Local Silicon Interconnect」をTSMCは「LSI」と略記することが多いので、留意されたい。

「CoWoS_S」（従来の「CoWoS」）の断面構造例。いわゆる2.5次元（2.5D）パッケージの代表である。中間基板（インターポーザ）であるシリコン基板に高密度な配線とシリコン貫通ビア（TSV）を形成することで、シリコンダイ間の近接配置を可能にするとともに、高速の信号を伝送する［クリックで拡大］ 出所：TSMC（Hot Chips 33の講演「TSMC packaging technologies for chiplets and 3D」のスライドから）

インターポーザ面積とトランジスタ数、メモリ容量の拡大を継続

　「CoWoS_S」（従来の「CoWoS」）は、2011年に開発された。これを「第1世代（Gen-1）」と呼んでいる。XilinxのハイエンドFPGAなどが採用した（参考記事：「シリコンインターポーザを導入した高性能パッケージの製品例」）。Siインターポーザの大きさは最大で775mm²（25mm×31mm）である。ほぼレチクル1枚の露光寸法（26mm×33mm）に近い（ArF液浸スキャナーの場合）。なおFPGAダイの製造技術は28nmのCMOSプロセスである。この技術を採用したXilinxのハイエンドFPGA「7V2000T」は、4枚のFPGAロジックダイを「CoWoS_S」に搭載した。

　2014年に開発された第2世代の「CoWoS_S」では、Siインターポーザを1150mm²に拡大した。レチクル1.5枚の露光面積である1287mm²に近い。2015年にXilinxのハイエンドFPGA「XCVU440」が採用した。3枚のFPGAロジックダイを搭載している。FPGAダイの製造技術は20nmのCMOSプロセスである。

　2016年に開発された第3世代の「CoWoS_S」では、Siインターポーザの大きさはあまり変わらないものの、高速DRAMモジュール「HBM」とロジックを初めて混載した。2016年にNVIDIAのハイエンドGPU「GP100」が採用した。GPUダイと「HBM2」を混載する。HBM2はシリコンダイ積層モジュール（4枚のDRAMダイと1枚のベースダイ（最下部）をTSVで接続）で、「GP100」には4個のHBM2モジュールを搭載した。16GB（128Gビット）と大きな容量のDRAMとGPUを高速に接続している。

　2019年に開発された第4世代の「CoWoS_S」では、Siインターポーザの寸法をレチクル2枚に相当する露光面積まで拡大した。およそ1700mm²に達する。この巨大なインターポーザに大規模ロジックのダイと6個のHBM2を混載する。1個のHBM2が記憶する容量は8GB（64Gbit）に増加したので、合計では48GB（384Gbit）と第3世代の3倍の容量を収容した。

「CoWoS_S」（従来の「CoWoS」）の進化。2011年の第1世代から、2021年の第5世代まで改良を重ねた［クリックで拡大］ 出所：TSMC（Hot Chips 33の講演「TSMC packaging technologies for chiplets and 3D」のスライドから）

（後編に続く）

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