未來的 AI 晶片可能建構在玻璃之上

人造玻璃已有數千年的歷史。但現在，它正準備進入全球最新、規模最大的數據中心所使用的 AI 晶片中。

今年，一家名為 Absolics 的南韓公司計劃開始商業化生產特殊的玻璃面板，旨在讓下一代運算硬體更強大且更具能源效率。包括 Intel 在內的其他公司也在這一領域積極推進。

如果一切順利，這種玻璃技術可以降低 AI 數據中心所使用的高性能運算晶片的能源需求——如果生產成本下降，最終也能為消費級筆記型電腦和行動裝置帶來同樣的好處。

這個構想是將玻璃作為基板（substrate）或層級，用來連接多個矽晶片。這種「封裝」形式是目前建構運算硬體日益流行的方法，因為它讓工程師能將針對特定功能設計的專用晶片組合成單一系統。但這也帶來了挑戰，包括高效能晶片運作時產生的熱量可能高到讓其底部的基板發生物理變形。這會導致組件錯位，並可能降低晶片的冷卻效率，進而導致損壞或提早失效。

「隨著 AI 工作負載激增和封裝尺寸擴大，業界正正面臨影響高性能運算發展軌跡的現實機械限制，」晶片設計公司超微半導體（AMD）的高級院士 Deepak Kulkarni 表示。「其中最根本的問題之一就是翹曲（warpage）。」

這正是玻璃大顯身手的地方。它比現有的基板更能處理額外的熱量，並能讓工程師繼續縮小晶片封裝——這將使晶片更快、更節能。Kulkarni 說，它「解鎖了在不撞上機械牆的情況下，持續擴展封裝面積的能力」。

這股轉型動能正在積聚。Absolics 已在美國建成一座專門為先進晶片生產玻璃基板的工廠，並預計於今年開始商業化生產。美國半導體製造商 Intel 正致力於將玻璃納入其下一代晶片封裝中，其研究也帶動了晶片封裝供應鏈中的其他公司跟進投資。南韓和中國公司是早期的採用者。「從歷史上看，這並非首次嘗試在半導體封裝中採用玻璃，」市場研究公司 Yole Group 的高級技術與市場分析師 Bilal Hachemi 表示。「但這一次，生態系統更加穩固且廣泛；對玻璃技術的需求也更加迫切。」

脆弱卻強大

Intel 先進封裝副總裁 Rahul Manepalli 表示，自 1990 年代以來，晶片封裝一直依賴玻璃纖維強化環氧樹脂（fiberglass-reinforced epoxy）等有機基板。但電化學方面的複雜性限制了設計師鑽孔的間距，而這些孔洞是用來在晶片與系統其餘部分之間建立鍍銅的訊號與電力連接。晶片設計師還必須考慮有機基板在晶片升溫和降溫時產生的不可預測的收縮與扭曲。Manepalli 說：「我們在大約十年前就意識到，有機基板將會面臨一些限制。」

這些玻璃基板測試單元於 2023 年在 Intel 位於亞利桑那州錢德勒（Chandler）的設施中拍攝。圖／INTEL CORPORATION

玻璃可能有助於克服許多這類限制。Manepalli 表示，玻璃的熱穩定性可讓工程師在每毫米內建立比有機基板多 10 倍的連接。透過更密集的連接，Intel 的設計師可以在相同的封裝面積內塞入多出 50% 的矽晶片，從而提升運算能力。更密集的連接還能為傳輸電力的銅線提供更高效的佈線。此外，玻璃散熱效率更高，有利於設計出降低整體功耗的晶片。

「玻璃核心基板的好處是不可否認的，」Manepalli 說。「顯然，這些優勢將驅動業界儘早實現這一目標，而我們希望成為首批實現的公司之一。」

然而，處理玻璃也帶來了挑戰。首先，它很脆弱。Manepalli 指出，用於數據中心晶片封裝的玻璃基板面板厚度僅約 700 微米至 1.4 毫米，這使其容易破裂甚至粉碎。Intel 和其他機構的研究人員花費多年時間研究如何使用其他材料和特殊工具，將玻璃面板安全地整合到半導體製造流程中。

Manepalli 表示，現在 Intel 的研發團隊已能穩定地製造玻璃面板，並產出包含玻璃的測試晶片封裝——在 2025 年初，他們展示了一個具有玻璃核心基板的功能性裝置可以成功啟動 Windows 作業系統。他說，這與早期測試階段相比是顯著的進步，當時每隔幾天就有數百片玻璃面板破裂。

半導體製造商已經將玻璃用於較有限的用途，例如作為矽晶圓的臨時支撐結構。但獨立市場研究公司 IDTechEx 估計，玻璃基板市場龐大，可能使半導體玻璃市場從 2025 年的 10 億美元增長到 2036 年的 44 億美元。

如果這種材料普及開來，還可能有額外的好處。玻璃可以做得極其平滑——比有機基板平滑 5,000 倍。IDTechEx 的研究分析師 Xiaoxi He 表示，這將消除金屬層疊到半導體上時可能產生的缺陷。這些層級中的缺陷會惡化晶片性能，甚至使其無法使用。

玻璃還可能有助於加速數據傳輸。這種材料可以引導光線，這意味著晶片設計師可以利用它直接在基板中建構高速訊號路徑。AMD 的 Kulkarni 表示，玻璃「對未來節能的 AI 運算具有巨大潛力」，因為光學系統傳輸訊號所需的能量遠低於目前用於封裝內晶片間通訊、極其耗電的銅路徑。

面板轉型

玻璃封裝的早期研究始於 2009 年喬治亞理工學院的 3D 系統封裝研究中心。該大學最終與 Absolics 合作，後者是南韓 SKC 公司的子公司，專門生產化學品和先進材料。SKC 於 2024 年在喬治亞州科文頓（Covington）建成了一座製造玻璃基板的半導體設施。同年，Absolics 與喬治亞理工學院的玻璃基板合作項目獲得了兩筆補助，總價值達 1.75 億美元，資金來自美國政府在拜登總統任內設立的「晶片美國計畫」（CHIPS for America program）。

一名 Absolics 員工正在監控該公司早期版本玻璃基板的生產。圖／COURTESY OF ABSOLICS INC

現在 Absolics 正邁向商業化；它計劃今年開始為客戶生產少量的玻璃基板。喬治亞理工學院的研究工程師 Yongwon Lee（未直接參與 Absolics 的商業合作）表示，該公司在玻璃基板商業化方面處於領先地位。

Absolics 表示，其設施目前每年最高可生產 12,000 平方公尺的玻璃面板。Lee 估計，這足以為 200 萬到 300 萬個與 Nvidia H100 GPU 尺寸相當的晶片封裝提供玻璃基板。

但該公司並不孤單。Lee 指出，包括三星電子、三星電機（Samsung Electro-Mechanics）和 LG Innotek 在內的多家大型製造商，在過去一年中都「顯著加速」了玻璃封裝的研究和試產工作。他說：「這一趨勢表明，玻璃基板生態系統正從單一的先行者演變為更廣泛的產業競賽。」

其他公司則轉向在玻璃基板供應鏈中扮演更專業的角色。2025 年，生產電子連接器和強化玻璃的 JNTC 公司在南韓建立了一座設施，每月可生產 10,000 片半成品玻璃面板。這些面板包含用於垂直電力連接的鑽孔和覆蓋玻璃的薄金屬層，但仍需要額外的製造工序才能安裝到晶片封裝中。

去年，該南韓設施開始接受專門基板公司和半導體製造商的半成品玻璃訂單。該公司計劃在 2026 年擴大設施產能，並於 2027 年在越南開設另一條生產線。這些產業行動顯示了玻璃基板技術從原型走向商業化的速度有多快——以及有多少科技巨頭正押注玻璃將成為未來運算與 AI 出人意料的堅實基礎。