台积电与英伟达，凭啥称霸？

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2023年的第二季开始，IC设计公司中的营收第一名是英伟达，同时也是首度击败以往的第一、二名的高通(Qualcomm)与博通(Broadcom)。

其实自2023年初至2024年4月，英伟达受惠于生成式AI的崛起，英伟达的股价夯到不行，涨幅一度超过500%，甚至其高阶芯片H100好几度供不应求。也正因为AI已逐渐找到各种创新的应用场景，不论是汽车工业、AI伺服器、无人载具、影像显示、生技医药、虚拟实境、软体工程、智慧城市或金融科技等领域，都使得GPU的需求大增，迫使英伟达的执行长黄仁勋三番两次来台「绑桩」，巩固其供应链能够稳定接单、生产、交货。

众所周知，英伟达专注在无晶圆厂的绘图处理器GPU的设计，不同于本系列之前所提到的台积电、英特尔、三星电子与格罗方德等晶圆厂的制造技术。为了与前面系列的技术有相同的检索基准，这次也同样对AI系统-Lupix [1]输入与芯片堆叠有关的封装技术特征，「CoWoS可进一步拆分为CoW 和WoS，CoW就是Chip-on- Wafer，将芯片堆叠，而WoS就是Wafer-on-Substrate，......，然后经由硅穿孔(Through-Silicon Via，TSV)技术来连结下方PCB基板(substrate)，让多颗芯片可封装一起，以达到封装体积小、功耗低、引脚少、成本低等效果。」

AI扫描出的结果，找到几件相关的专利，而其中标题为「具一高功率芯片和一低功率芯片的低互连寄生现象的系统」（以下称本专利）甚值关注，其台湾专利号为TWI515844B，而对应的美国专利号为US9728481B2 (System with a high power chip and a low power chip having low interconnect parasitics )，分别于2016/01/01和2017/08/08获证，目前本专利在机电技术领域中的专利价值之PR值(Percentile Rank)为96，也就是说，本专利的专利价值在机电领域中赢过96%的相关专利。

一般来说，在单一IC封装中，为了降低所有芯片在印刷电路板(PCB)上所占据的面积，通常会选择将各芯片尽可能地在垂直方向做堆叠。这样做还有另一个优点，那就是芯片与芯片之间的互连路径是最短的，这将有助于缩短讯号传输的时间。然而，这样的堆叠方式却会衍生出散热管理上的问题，例如高功率芯片（如CPU、GPU、NPU）堆叠在低功率芯片（如记忆体或I/O芯片）之上或下时，高功率芯片运作时所产生的高热，会负面地影响邻近的低功率芯片的效能。据此，本专利之发明就揭露一种在垂直方向上做芯片堆叠时，高、低功率芯片之间不仅仍保有最短的互连路径，而且还能有效隔绝高功率芯片所散发出来的热，更能降低IC中的寄生效应(parasitics)。

如图1，系本专利所揭露的其中一种态样的芯片堆叠结构示意图。图1中所示系在一PCB(190)上承载着一高功率芯片(101)，并设置在一低功率芯片(102)的上方，其中低功率芯片(102)则被嵌入在封装基板( 110)内，高功率芯片(102)设置在封装基板(110)外部。此外，依据本专利在独立项中对高、低功率芯片的定义，高功率芯片(101)会产生至少10W的热量，而低功率芯片(102)则产生少于5W的热量。当高功率芯片(102)运作时所散发出的高热，由于封装基板(110)本身也有隔热的作用，加上散热装置(131)可将高热导引至IC的外部，所以如记忆体这样的低功率芯片(102)，就不易受到高热而影响其运作效能。

此外，由于低功率芯片(102)又包含硅穿孔(125，TSV)，透过硅穿孔(125)与其外部的多个已填入铜的穿孔(123)和导线(114)，可将PCB(190 )与高功率芯片(101)电性连接起来，因而在低功率芯片(102)和高功率芯片(101)之间，形成极短路径长度的互连，进而造成快速的讯号传递、降低杂讯干扰与寄生现象等优点。

再参考图2，是本专利所揭露的另一种态样的芯片堆叠结构示意图，也是本专利的代表图。不难看出，图2的芯片堆叠结构方式是基于图1，只不过图2的高功率芯片(301、302)是横向并排的组态，而低功率芯片(102A、102B)分别被设置在高功率芯片(301、302)的下方，且被嵌入至封装基板(110)中。

值得一提的是，根据专利说明书与图2中的记载，「由一硅或玻璃基板形成的插入物(350)，有着额外的IC芯片，如一或多个全球定位系统(GPS，Global Positioning System )芯片、射频(RF，Radio Frequency)收发器芯片、Wi-Fi芯片。这些额外的IC芯片可藉由插入物(350)内设置的多层的金属互连和穿孔与高、低功率芯片(301 、302、102A、102B)电性连接。此外，插入物(350)提供高功率芯片(301、302)和低功率芯片(102A、102B)之间的额外隔热，也因此而增加高功率芯片(301、302)之间的讯号传递。」

至于热量分布层(401)亦称为「导热管」(heat pipe)，为具有高导热性的材料，例如铜或铝所组成，主要用来与低功率芯片(102)接触，将低功率芯片(102A、102B)产生的热量带离，以降低运作期间低功率芯片(102)所带来的过热风险。

整体而言，本专利是针对三维空间在垂直方向上的芯片堆叠之互连做保护，目的是在解决高功率芯片在大量运算时所散发的高热，从而导致使芯片效能不彰与寄生现象。

记得英伟达执行长黄仁勋在2023年11月，台积电创办人张忠谋获颁李国鼎奖之际，获邀上台致词，并说「没有台积电就没有英伟达」。因此，为了探究英伟达与台积电之间的关系到底有多紧密，利用本专利经过Lupix的语义分析比对，竟发现到一家「群成能源股份有限公司」（该公司的前身为「群成科技」，于2021年成为台湾光罩集团100%的关系企业），早在2010年12月22日就以美国优先权的方式，申请名为「三维系统级封装叠层封装结构」(Three-dimensional system-in-package package-on-package structure)之专利，并于2013年12月31日获准美国专利，其专利号为US8619431B2（以下称US 431专利）。

特别的是，就在2024年3月1日US 431专利已转让给台积电，而该US 431专利要解决的技术方案，正好就与英伟达的本专利所记载的技术有一些关联。由其中的专利交易脉络可推测出，台积电不仅已经累积不少自家的3D IC制造方面的专利池，可能觉得专利布局上仍有可再精进之处，所以正透过专利交易手段进行专利组合，这可能意味着台积电在未来进攻3D版的先进制程封装的市场，有着强烈的企图心，而现在正为了继续保持「一个人的武林」，陆续暗中筑起固若金汤的专利保护壁垒。

也许有人会问：「台积电不断强化3D版的先进制程封装专利，难道是为了英伟达H100/H200/GB200 NVL72系列的产品吗？」从英伟达执行长黄仁勋自2023年下半年以来，频频造访台积电的动作来看，的确令人玩味。

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