玻璃芯片，新救星

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人造玻璃已有數千年歷史。但如今，它有望被應用于全球最新、最大的數據中心所使用的人工智能芯片中。

今年，一家名為Absolics的韓國公司計劃開始商業化生產一種特殊玻璃面板，這種面板旨在提升下一代計算機硬件的性能和能效。包括英特爾在內的其他公司也在積極推進這一領域的研究。

如果一切順利，這種玻璃技術可以降低人工智能數據中心使用的高性能計算芯片的能耗——如果生產成本下降，它最終也可以降低消費級筆記本電腦和移動設備的能耗。

理念是使用玻璃作為基板或層，將多個硅芯片連接在其上。這種“封裝”方式正日益成為構建計算機硬件的熱門選擇，因為它允許工程師將專為特定功能設計的專用芯片集成到單個系統中。但它也帶來了一些挑戰，例如，高負荷運行的芯片溫度過高會導致其所在的基板發生物理變形。這會導致元件錯位，并可能降低芯片的散熱效率，最終導致芯片損壞或過早失效。

“隨著人工智能工作負載激增和封裝尺寸不斷增大，業界正面臨著影響高性能計算發展軌跡的切實機械限制，”芯片設計公司AMD的高級研究員迪帕克·庫爾卡尼表示，“其中最根本的限制之一就是翹曲。”

這就是玻璃的優勢所在。它比現有基板更能承受額外的熱量，并且能夠讓工程師們不斷縮小芯片封裝尺寸——這將使芯片速度更快、能效更高。庫爾卡尼表示，玻璃“解鎖了在不遇到機械瓶頸的情況下不斷縮小封裝尺寸的能力”。

這一轉變的勢頭正在增強。Absolics公司已在美國建成一座專門生產先進芯片玻璃基板的工廠，預計將于今年開始商業化生產。美國半導體制造商英特爾正致力于將玻璃應用于其下一代芯片封裝，其研究成果也促使芯片封裝供應鏈上的其他公司紛紛投資。韓國和中國的公司是早期采用者之一。市場研究公司Yole Group的高級技術和市場分析師Bilal Hachemi表示：“從歷史上看，這并非首次嘗試在半導體封裝中采用玻璃。但這一次，生態系統更加穩固和廣泛；對玻璃基技術的需求也更加迫切。”

脆弱卻強大

英特爾先進封裝副總裁Rahul Manepalli表示，自20世紀90年代以來，芯片封裝一直依賴于有機基材，例如玻璃纖維增強環氧樹脂。但電化學方面的復雜性限制了設計人員鉆孔的精確度，從而無法在芯片和系統其他部分之間建立銅涂層信號和電源連接。芯片設計人員還必須考慮有機基材在芯片加熱和冷卻過程中發生的不可預測的收縮和變形。“大約十年前，我們就意識到有機基材存在一些局限性，”Manepalli說道。

玻璃或許能夠克服許多此類限制。Manepalli 表示，玻璃的熱穩定性可以讓工程師在每毫米的面積上實現比有機基板高 10 倍的連接數。憑借更高的連接密度，英特爾的設計人員可以在相同的封裝面積內塞入多 50% 的硅芯片，從而提升計算能力。更高的連接密度還能讓為芯片供電的銅線實現更高效的布線。此外，玻璃更高效的散熱性能也使得芯片設計能夠降低整體功耗。

“玻璃芯基板的優勢毋庸置疑，”馬內帕利說道。“很明顯，這些優勢將促使業界盡快實現這一目標，而我們希望成為首批實現這一目標的企業之一。”

然而，玻璃加工本身就充滿挑戰。首先，玻璃非常脆弱。數據中心芯片封裝所用的玻璃基板由厚度僅為700微米至1.4毫米的面板構成，這使得它們極易開裂甚至破碎，馬內帕利說道。英特爾和其他機構的研究人員多年來一直在探索如何利用其他材料和特殊工具，將玻璃面板安全地集成到半導體制造工藝中。

馬內帕利表示，如今英特爾的研發團隊已經能夠可靠地制造玻璃面板，并大量生產包含玻璃的測試芯片封裝——而且在2025年初，他們已經證明，采用玻璃芯基板的功能性設備可以啟動Windows操作系統。他指出，這與早期測試階段相比有了顯著的進步，當時每隔幾天就會有數百塊玻璃面板破裂。

半導體制造商目前已將玻璃用于一些較為有限的用途，例如作為硅晶圓的臨時支撐結構。但獨立市場研究公司IDTechEx估計，玻璃基板市場潛力巨大，有望將半導體玻璃市場規模從2025年的10億美元提升至2036年的44億美元。

如果這項技術得到推廣，它還能帶來更多益處。玻璃可以做得極其光滑——比有機基材光滑5000倍。IDTechEx的研究分析師何曉曦表示，這將消除金屬層壓到半導體上時可能出現的缺陷。這些層中的缺陷會降低芯片的性能，甚至導致芯片無法使用。

玻璃還可以幫助加快數據傳輸速度。這種材料能夠引導光線，這意味著芯片設計人員可以利用它直接在基板上構建高速信號通路。AMD 的 Kulkarni 表示，玻璃“在未來節能型人工智能計算領域擁有巨大的潛力”，因為基于光的系統傳輸信號所需的能量遠低于目前用于在封裝芯片間傳輸信號的“高能耗”銅線。

面板樞軸

玻璃封裝的早期研究始于2009年佐治亞理工學院的3D系統封裝研究中心。該大學最終與韓國SKC公司旗下的子公司Absolics建立了合作關系。SKC是一家生產化學品和先進材料的韓國公司。2024年，SKC在佐治亞州科文頓市建造了一座用于生產玻璃基板的半導體工廠。同年，Absolics與佐治亞理工學院的玻璃基板合作項目獲得了兩項撥款，總額達1.75億美元，這些撥款來自美國政府在喬·拜登總統執政期間設立的“美國芯片計劃”（CHIPS for America）。

如今，Absolics正朝著商業化方向發展；該公司計劃今年開始為客戶小批量生產玻璃基板。佐治亞理工學院的研究工程師李永元（Yongwon Lee）表示，該公司在玻璃基板的商業化方面一直處于領先地位。李永元并未直接參與與Absolics的商業合作。

Absolics公司表示，其工廠目前每年最多可生產12000平方米的玻璃面板。Lee估計，這足以提供200萬至300萬個與英偉達H100 GPU尺寸相同的芯片封裝所需的玻璃基板。

但該公司并非孤例。李表示，包括三星電子、三星電機和LG Innotek在內的多家大型制造商，在過去一年中“顯著加快”了玻璃封裝領域的研發和試生產工作。“這一趨勢表明，玻璃基板生態系統正從單一先行者向更廣泛的產業競爭演變，”他說道。

其他公司正在轉型，在玻璃基板供應鏈中扮演更加專業化的角色。2025年，生產電子連接器和鋼化玻璃的JNTC公司在韓國建立了一家工廠，每月可生產1萬塊半成品玻璃面板。這類面板已預先鉆好用于垂直電氣連接的孔，并在玻璃表面涂覆了薄金屬層，但還需要額外的加工才能安裝到芯片封裝中。

去年，這家韓國工廠開始接受訂單，向專業基板公司和半導體制造商供應半成品玻璃。該公司計劃于2026年擴大該工廠的產能，并于2027年在越南開設一條新的生產線。這些行業舉措表明，玻璃基板技術正以驚人的速度從原型階段走向商業化，同時也表明眾多科技企業押注玻璃可能成為未來計算和人工智能領域一個出人意料的強大基礎。

（來源：編譯自MIT）

*免責聲明：本文由作者原創。文章內容系作者個人觀點，半導體行業觀察轉載僅為了傳達一種不同的觀點，不代表半導體行業觀察對該觀點贊同或支持，如果有任何異議，歡迎聯系半導體行業觀察。

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