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| 本文作者： 包永剛 | 2019-09-07 10:09 |
每一次科技的進(jìn)步，都少不了芯片支撐。更準(zhǔn)確的說，是芯片的多核設(shè)計(jì)以及半導(dǎo)體工藝的進(jìn)步，讓芯片在1986年后性能不斷提升同時(shí)功耗不斷降低。但2015年之后，芯片性能的提升越來越難，關(guān)于摩爾定律放緩的討論也越來越多。而以數(shù)據(jù)為中心的時(shí)代正在到來，數(shù)據(jù)中心和AI對(duì)芯片的要求越來越高。
此時(shí)，先進(jìn)封裝技術(shù)受到了越來越多的關(guān)注，并被寄希望于滿足數(shù)據(jù)中心和AI的需求，這是為什么？
為什么先進(jìn)封裝技術(shù)受到關(guān)注？
在很長一段時(shí)間內(nèi)，芯片性能的提升和功耗的降低在很大程度上得益于工藝制成的進(jìn)步，然而，從16nm到7nm，芯片制造的成本在大幅提高。但以數(shù)據(jù)中心和AI為代表的應(yīng)用對(duì)芯片算力、功耗、內(nèi)存帶寬都有更高的要求，無論是哪種類型的芯片，實(shí)現(xiàn)每瓦更高性能以及更低成本都至關(guān)重要。
巨大的需求刺激業(yè)界尋求解決方案，2011年，晶圓代工廠臺(tái)積電毫無預(yù)兆的宣布要進(jìn)軍封裝領(lǐng)域，其封裝技術(shù)涵蓋2D和3D，既有面向手機(jī)的，也有面向AI、服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)。
臺(tái)積電是繼續(xù)投入先進(jìn)制造工藝的同時(shí)進(jìn)軍先進(jìn)封裝技術(shù)。另一大晶圓代工廠格羅方德（GF）則在去年突然宣布停止7nm工藝所有的后續(xù)工作，不過他們也看到了先進(jìn)封裝技術(shù)未來將發(fā)揮的作用。
GF的平臺(tái)首席技術(shù)專家John Pellerin在一份聲明中表示，在大數(shù)據(jù)和認(rèn)知計(jì)算時(shí)代，先進(jìn)的封裝技術(shù)正在發(fā)揮比以往更大的作用。人工智能的發(fā)展對(duì)高能效，高吞吐量互連的需求，正在通過先進(jìn)的封裝技術(shù)的加速發(fā)展來滿足。
不過，提到先進(jìn)封裝技術(shù)，就無法忽視英特爾。與臺(tái)積電和GF專注于提供晶圓代工服務(wù)不同，英特爾是垂直集成的IDM廠商，可以實(shí)現(xiàn)從晶體管再到整體系統(tǒng)層面的集成，在封裝技術(shù)方面自然有其特有的優(yōu)勢。
英特爾公司集團(tuán)副總裁兼封裝測試技術(shù)開發(fā)部門總經(jīng)理Babak Sabi
英特爾公司集團(tuán)副總裁兼封裝測試技術(shù)開發(fā)部門總經(jīng)理Babak Sabi接受采訪時(shí)表示，先進(jìn)封裝技術(shù)是迎合多元化計(jì)算時(shí)代需求，通過2D、3D封裝技術(shù)，可以進(jìn)一步提升芯片的性能并降低功耗。
英特爾院士兼技術(shù)開發(fā)部聯(lián)合總監(jiān)Ravi Mahajan
英特爾院士兼技術(shù)開發(fā)部聯(lián)合總監(jiān)Ravi Mahajan對(duì)雷鋒網(wǎng)表示，先進(jìn)封裝技術(shù)的推動(dòng)力很多，但總體而言，AI和大數(shù)據(jù)是所有驅(qū)動(dòng)力中最重要的兩個(gè)。至于先進(jìn)的3D封裝技術(shù)會(huì)在什么場景應(yīng)用，還需要做各方面的平衡，但3D封裝技術(shù)絕對(duì)不會(huì)限制于AI和大數(shù)據(jù)。
先進(jìn)封裝技術(shù)如何滿足更高性能需求？
芯片的封裝是在芯片生產(chǎn)中不可缺少一道工序，作為處理器和主板之間的物理接口，封裝為芯片和電信號(hào)和電源提供了著陸區(qū)，當(dāng)然也起到固定、密封、保護(hù)芯片等作用。過去，為了能夠提升芯片性能并縮小芯片的體積，需要借助先進(jìn)的半導(dǎo)體制程，把更多的功能集成封裝到一塊芯片上，形成SoC。但隨著芯片功能的增加和體積的增大，芯片設(shè)計(jì)、測試以及制造的難度陡然增加，這不僅增加了成本還會(huì)拖累產(chǎn)品的上市速度。
此時(shí)，從封裝的角度，可以在水平（2D）層面集成更多芯片實(shí)現(xiàn)性能的提升，不過這仍舊不能滿足市場的需求，3D封裝的概念被提出。
2018年12月，英特爾首次對(duì)外展示了邏輯芯片的3D堆疊封裝方案——Foveros，可以在水平布置的芯片上垂直堆疊更多面積更小、功能更簡單的小芯片，提升功能和性能。特別值得一提的是，F(xiàn)overos技術(shù)可以直接將不同IP、不同工藝的芯片封裝在一起，省去漫長的重新設(shè)計(jì)、測試機(jī)流片的過程，大幅度降低成本并加速產(chǎn)品上市。
Ravi Mahajan指出，整個(gè)業(yè)界都在不斷的去推動(dòng)先進(jìn)多芯片封裝（MCP）架構(gòu)的發(fā)展，更好的滿足高帶寬、低功耗的需求。具體微縮的方向有三種：一種是用于堆疊裸片的高密度垂直互連，它可以幫助我們大幅度的提高帶寬，同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)高密度的裸片疊加。第二種是全局的橫向互連。在未來隨著小芯片使用的會(huì)越來越普及，我們也希望在小芯片集成當(dāng)中保證更高的帶寬。第三個(gè)是全方位互連，通過全方位互連可以實(shí)現(xiàn)我們之前所無法達(dá)到的3D堆疊帶來的性能。
為了構(gòu)建高密度MCP，需要一些關(guān)鍵的基礎(chǔ)技術(shù)解決帶寬、功耗以及I/O的問題。英特爾除了Foveros技術(shù)之外，還擁有EMIB、Co-EMIB、ODI、MDIO技術(shù)。
EMIB（嵌入式多管芯互連橋）是用一小塊硅在MCP中的兩個(gè)管芯的相鄰邊緣之間提供自由的互連性，2D封裝和Foveros 3D封裝技術(shù)利用高密度的互連技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高帶寬、低功耗，并實(shí)現(xiàn)很有競爭力的I/O密度。
新的Co-EMIB技術(shù)則能夠讓兩個(gè)或多個(gè)Foveros元件互連，基本達(dá)到單晶片性能，還能以非常高的帶寬和非常低的功耗連接模擬器、內(nèi)存和其他模塊。
為了進(jìn)一步提高水平與垂直堆疊的靈活性，ODI（全方位互連技術(shù)）非常重要。它存在于基板與芯片之間，ODI利用大的垂直通孔直接從封裝基板向頂部裸片供電，這種大通孔比傳統(tǒng)的硅通孔大得多，其電阻更低，因而可提供更穩(wěn)定的電力傳輸，同時(shí)通過堆疊實(shí)現(xiàn)更高帶寬和更低時(shí)延。同時(shí)，這種方法減少了基底晶片中所需的硅通孔數(shù)量，為有源晶體管釋放了更多的面積，并優(yōu)化了裸片的尺寸。
基于ODI，頂部芯片可以像EMIB技術(shù)下一樣與其他小芯片進(jìn)行水平通信，同時(shí)還可以像Foveros技術(shù)下一樣，通過硅通孔（TSV）與下面的底部裸片進(jìn)行垂直通信。據(jù)雷鋒網(wǎng)了解，ODI技術(shù)分為兩種，分別對(duì)應(yīng)單芯片和多芯片的互連。
更進(jìn)一步，英特爾提出的MDIO是一種性能更好的芯片到芯片之間的接口（針腳）技術(shù)。相對(duì)于之前英特爾所使用的AIB（高級(jí)接口總線）技術(shù)，MDIO能夠在更小的連接面積內(nèi)實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)帶寬。
需要指出的是，這些不同的技術(shù)針對(duì)不同的應(yīng)用需求，但并非互斥，甚至可以有針對(duì)性地組合使用。
未來，英特爾還會(huì)繼續(xù)在三個(gè)微縮方向擴(kuò)展每立方毫米上的功能并實(shí)現(xiàn)類似于單晶片的性能，理想情況下，一個(gè)多芯片封裝的性能會(huì)盡可能接近單芯片，同時(shí)可以降低功耗。Babak Sabi指出，相對(duì)單純的提升工藝制程，提升封裝技術(shù)的成本更低，但不會(huì)與制程節(jié)點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比。
3D封裝技術(shù)普及的關(guān)鍵問題
不過，Babak Sabi也指出了使用3D封裝技術(shù)的兩個(gè)條件。第一個(gè)，如果在系統(tǒng)層面有各種約束條件或者限制，就可以選擇3D封裝。第二，現(xiàn)有架構(gòu)特別適合使用3D封裝。這兩個(gè)條件是選擇3D先進(jìn)封裝一個(gè)重要的先決條件。如果不能滿足這兩個(gè)條件，直接用2D或者是2.5D就可以。
除了實(shí)現(xiàn)更好性能和帶寬，3D封裝技術(shù)也能實(shí)現(xiàn)更好的異構(gòu)系統(tǒng)，這是否意味著3D封裝能更好地滿足大數(shù)據(jù)和AI的定制化需求？Ravi Mahajan 表示，通過我們3D封裝技術(shù)可以滿足不同架構(gòu)的需求，同時(shí)我們也有不同的3D“積木塊”，可以滿足不同架構(gòu)的堆疊需求。
Babak Sabi補(bǔ)充表示，如果要通過3D封裝技術(shù)去開發(fā)一個(gè)產(chǎn)品，必須要對(duì)頂層和底層裸片都要進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)優(yōu)，同時(shí)還有很多其他因素需要考慮到，整個(gè)過程非常復(fù)雜。因?yàn)槎ㄖ苹旧砭褪潜容^復(fù)雜的，選擇3D封裝的時(shí)候，要把多個(gè)小芯片當(dāng)成同一個(gè)硅片來進(jìn)行統(tǒng)一設(shè)計(jì)。定制芯片2D或者是2.5D是一個(gè)更好的封裝方案。
當(dāng)然，3D封裝技術(shù)要商用還必須解決散熱、串?dāng)_、應(yīng)力、良率等問題。
芯片的垂直堆疊無法避免地會(huì)帶來散熱問題。對(duì)此，Ravi Mahajan表示，英特爾擁有技術(shù)可以更好的減少在底部裸片上的熱區(qū)和熱點(diǎn)，也可以通過單片分割技術(shù)更好地解決散熱問題。還可以采取一套解決方案，進(jìn)一步減少從底部裸片到上部裸片的熱傳導(dǎo)，改善熱屬性。
Babak Sabi指出，很多時(shí)候無限堆疊是沒有必要的，比如高帶寬內(nèi)存（HBM），目前的方案是4層堆疊，技術(shù)上可以做到8層堆疊，但再往堆疊芯片就會(huì)變得過熱，并且也沒有好的方法來冷卻。
堆疊不僅會(huì)帶來散熱問題，還會(huì)帶來串?dāng)_問題。針對(duì)這個(gè)問題，一方面裸片之間的互聯(lián)引線間距變小可以讓信號(hào)傳輸更快，中間串?dāng)_更少。也可以采用全新的布線方法來減少串?dāng)_，還能夠通過電介質(zhì)堆棧的設(shè)計(jì)進(jìn)一步減少兩者之間信號(hào)傳導(dǎo)的損耗。Ravi Mahajan說，不是說越來越多的小芯片堆疊就一定會(huì)帶來干擾，芯片設(shè)計(jì)做得正確的話，也就是說采用正確的分割方法，可以避免串?dāng)_問題。
對(duì)于3D封裝芯片的應(yīng)力問題，Ravi Mahajan表示，硅片之間的應(yīng)力會(huì)對(duì)性能以及電信號(hào)的傳導(dǎo)產(chǎn)生影響，現(xiàn)在英特爾內(nèi)部已經(jīng)完成了模型的建立，幫助我們更好的通過設(shè)計(jì)工具來解決壓力以及整個(gè)應(yīng)力問題。除此之外通過布線和材料的選擇，以及整體溫度的控制我們也可以更好的對(duì)應(yīng)力進(jìn)行理解以及控制。
測試以及良率也是關(guān)鍵問題，Babak Sabi表示，F(xiàn)overos的制作過程比MCP增加了很多工藝流程，測試的步驟和復(fù)雜度也進(jìn)一步增加，可能會(huì)損失一些良率，在如此復(fù)雜的環(huán)境下，我們依舊保持非常高的良率，這其中就包括在前端設(shè)計(jì)時(shí)用很多規(guī)則。我們的目標(biāo)是保證Foveros的良率跟MCP一致。
目前，英特爾公布的使用Foveros封裝技術(shù)的首款產(chǎn)品代號(hào)為Lake Field，但內(nèi)部還正在探尋未來產(chǎn)品的具體應(yīng)用，但是現(xiàn)在還沒有對(duì)外公布。
但為什么英特爾沒有和AMD一樣用先進(jìn)封裝技術(shù)去“拆解”CPU？Ravi Mahajan稱，這取決于廠商有什么樣的IP，同構(gòu)或異構(gòu)計(jì)算，取決于擁有的IP。但是不管選擇哪一套方法，終極目標(biāo)是一致的，就是更高的性能以及更低的成本。
至于未來3D封裝技術(shù)的未來發(fā)展，最重要的還是取決于整個(gè)應(yīng)用場景的需求是什么，也取決于用戶如何做芯片的設(shè)計(jì)和規(guī)劃。3D封裝技術(shù)帶來最大優(yōu)勢就是讓單個(gè)芯片尺寸更小，同時(shí)為整個(gè)SoC內(nèi)部帶來更高帶寬，低延遲高性的總體優(yōu)勢。
雷鋒網(wǎng)小結(jié)
封裝技術(shù)作為芯片制造過程中的最后一個(gè)環(huán)節(jié)，看似不起眼，但隨著半導(dǎo)體制程帶來的性能提升減小以及成本的增加，同時(shí)，以大數(shù)據(jù)和AI為代表的應(yīng)用對(duì)高性能、低功耗大帶寬需求的增加，先進(jìn)封裝技術(shù)變得越來越受關(guān)注。
英特爾作為IDM廠商，在以數(shù)據(jù)為中心的新時(shí)代，提出了制程和封裝、架構(gòu)、內(nèi)存和存儲(chǔ)、互連、安全、軟件這六大技術(shù)支柱，封裝作為其中關(guān)鍵的基礎(chǔ)，通過繼續(xù)在三個(gè)微縮方向擴(kuò)展，可以與其他技術(shù)支柱協(xié)同優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)更好的性能、功耗和安全性，能更快速提供更有競爭力的產(chǎn)品。
最后，附上英特爾先進(jìn)封裝技術(shù)解析會(huì)的簡短視頻幫助大家更直觀地理解英特爾的先進(jìn)封裝技術(shù)：
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