Intel先進(jìn)封裝技術(shù)深入解讀
發(fā)布時(shí)間：2019-09-23 19:33:00
隨著數(shù)據(jù)量的爆發(fā)、數(shù)據(jù)形態(tài)的變化，以及AI、5G、IoT物聯(lián)網(wǎng)、自動(dòng)駕駛等新應(yīng)用的層出不窮，計(jì)算面臨著全新的需求，我們正進(jìn)入一個(gè)以數(shù)據(jù)為中心、更加多元化的計(jì)算時(shí)代，傳統(tǒng)單一因素技術(shù)已經(jīng)無法跟上時(shí)代。
作為半導(dǎo)體行業(yè)巨頭，Intel這些年來的工作重心和戰(zhàn)略方向也不斷調(diào)整，從早期的以PC為核心、摩爾定律為指導(dǎo)方針，逐步轉(zhuǎn)向以數(shù)據(jù)為中心，而面對(duì)智能互聯(lián)的未來新世界，Intel也在做著多方面的準(zhǔn)備。
去年底，Intel首次提出了全新的六大技術(shù)支柱，全方位構(gòu)建未來愿景，其中制程工藝與封裝被視為最底層也是最核心的一環(huán)，可以說是架構(gòu)、內(nèi)存與存儲(chǔ)、互連、軟件、安全其他五大支柱的基石。
制程工藝大家都不陌生，xx納米天天都能聽到，那么封裝為何能與其并列呢？
在電子供應(yīng)鏈中，芯片封裝通常都很不起眼，也極少有人關(guān)注，但卻一直默默地發(fā)揮著關(guān)鍵作用，沒有它芯片就無從與外界高效連接、溝通。而隨著半導(dǎo)體和芯片技術(shù)的日益高度復(fù)雜化，特別是不同芯片的協(xié)同工作越來越重要，先進(jìn)封裝技術(shù)的作用也日益凸顯，成為推動(dòng)新時(shí)代摩爾定律繼續(xù)前進(jìn)的核心要素。
同時(shí)，封裝也不僅僅是把制作好的芯片打包加個(gè)“外殼”那么簡(jiǎn)單，而是涉及到一整套完整流程，從晶圓級(jí)測(cè)試、硅芯片處理與驗(yàn)證，到芯片基板與其他材料整合封裝，再到后期芯片測(cè)試、電路板開發(fā)，都是技術(shù)含量滿滿。
憑借領(lǐng)先的基礎(chǔ)技術(shù)，Intel在封裝技術(shù)上希望通過在一個(gè)封裝內(nèi)連接多個(gè)芯片和小芯片，并實(shí)現(xiàn)高帶寬、低功耗的高密度互連，最終達(dá)成SoC單芯片的功能和性能。
高度重視先進(jìn)封裝技術(shù)的Intel，也不斷拿出新的多芯片封裝(MCP)成果，從前年的EMIB到年初提出的Foveros，再到近期集中爆發(fā)的Co-EMIB、ODI、MDIO，與先進(jìn)的制程工藝相結(jié)合，都是芯片架構(gòu)設(shè)計(jì)師的最強(qiáng)有力后盾，也為芯片未來差異化演進(jìn)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
近日，Intel又邀請(qǐng)多位公司高層和技術(shù)專家，包括Intel集團(tuán)副總裁兼封裝測(cè)試技術(shù)開發(fā)部門總經(jīng)理Babak Sabi、Intel院士兼技術(shù)開發(fā)部聯(lián)合總監(jiān)Ravindranath (Ravi) V. Mahajan、Intel封裝研究事業(yè)部組件研究部首席工程師Adel Elsherbini、Intel制程及封裝部門技術(shù)營(yíng)銷總監(jiān)Jason Gorss，聯(lián)合講解了Intel先進(jìn)封裝技術(shù)的奧妙，絕對(duì)的硬核級(jí)干貨，在這里也嘗試為大家做一次科普。
首先，Intel為何會(huì)如此重視封裝技術(shù)，并提出不同的新樣式，其實(shí)原因很簡(jiǎn)單，我們知道，在傳統(tǒng)芯片設(shè)計(jì)理念上，我們都是盡可能地把不同模塊整合在一顆SoC上，集成度越來越高，CPU、GPU、內(nèi)存控制器、I/O核心等等都被塞到一起，并使用同一種工藝制造，在芯片和技術(shù)復(fù)雜度、工藝難度都不高的時(shí)候，這種理念非常合適，但隨著時(shí)代的發(fā)展，技術(shù)難度、功耗、成本等越來越難以控制，必須扭轉(zhuǎn)觀念，要知道，如今的不同芯片架構(gòu)都有不同的使命，更加專精，強(qiáng)行用一種工藝整合在一起，并不是最合適也不是最經(jīng)濟(jì)的做法，比如傳統(tǒng)CPU與新型加速器，各自獨(dú)立工作效果反而更好，另外不同的新品IP對(duì)于制程工藝的要求也不同，CPU這種自然是越新越好，I/O單元?jiǎng)t并不敏感，于是，如何將這些不同的IP以最優(yōu)化的方式組合在一起，達(dá)到尺寸、性能、互連、功耗、發(fā)熱、成本等各方面的均衡，就成了對(duì)封裝技術(shù)最大的挑戰(zhàn)，這也是Intel一直努力解決的。
而先進(jìn)封裝技術(shù)實(shí)現(xiàn)的重點(diǎn)或者說難點(diǎn)，主要在于輕薄小巧、高速信號(hào)、密度和間距縮微三大方面，這也正是Intel一直努力攻克的。
接下來，我們就逐一瀏覽Intel目前各種先進(jìn)封裝技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。
一、EMIB
EMIB全稱為Embedded Multi-Die Interconnect Bridge，意為“嵌入式多裸片互連橋接”，這個(gè)名詞大家可能會(huì)感覺比較陌生，不過說起最典型的產(chǎn)品肯定就明白了，那就是Kaby Lake-G，Intel首次集成AMD Vega GPU圖形核心，它和HBM顯存之間就是獨(dú)立裸片采用EMIB整合封裝在一起的，EMIB是一種高密度的2D平面式封裝技術(shù)，可以將不同類型、不同工藝的芯片IP靈活地組合在一起，類似一個(gè)松散的SoC。
在這種封裝方式中，發(fā)揮核心作用、連接不同裸片的是硅中介層(Interposer)，通過它可以靈活地混搭各種裸片，諸如CPU、GPU、HBM顯存等等，對(duì)于裸片的尺寸等也沒有嚴(yán)格要求，而且整體制造簡(jiǎn)單，封裝工藝也是標(biāo)準(zhǔn)的，成本上非常經(jīng)濟(jì)，不過它也有一些不足之處，比如中介層增加了額外的連接步驟，容易影響性能，而且中介層的尺寸也有限制，所以更適合一些集成裸片不多、互連要求不太高的產(chǎn)品。
二、Foveros
2D EMIB可以說是Intel先進(jìn)封裝技術(shù)的一個(gè)全新起點(diǎn)，但是2D平面的發(fā)揮空間顯然有限，Foveros 3D立體封裝應(yīng)用而生。
Foveros首次為處理器引入了3D堆疊式設(shè)計(jì)，是大幅提升多核心、異構(gòu)集成芯片的關(guān)鍵技術(shù)，不同于以往單純連接邏輯芯片、存儲(chǔ)芯片，Foveros創(chuàng)新性地把不同邏輯芯片堆疊、連接在了一起，可以“混搭”不同工藝、架構(gòu)、用途的技術(shù)IP模塊、各種內(nèi)存和I/O單元，其中I/O、SRAM緩存、傳輸總線整合在基礎(chǔ)晶圓中，高性能邏輯單元?jiǎng)t堆疊在頂部。
這樣一來，傳統(tǒng)大芯片可以分解成更小的小芯片組合，同時(shí)可將之前分散的不同模塊合為一體，以滿足不同應(yīng)用、功耗范圍、外形尺寸的設(shè)計(jì)需求，以更低的成本實(shí)現(xiàn)更高的或者更適宜的性能。
由于采用3D堆疊，Foveros的封裝密度、集成度都更高。2D EMIB封裝裸片間距可以做到55微米，未來也只能縮微到30-45微米，3D Foveros現(xiàn)在就能實(shí)現(xiàn)50微米間距，未來還可進(jìn)一步降至20-35微米(有焊料)，甚至是20微米以下(無焊料)。
Foveros封裝的首款產(chǎn)品代號(hào)Lakefield，采用最新10nm工藝制造，同時(shí)集成22nm小核心和諸多擴(kuò)展單元，將在今年底出貨。
三、Co-EMIB
2D EMIB、3D Foveros各有所長(zhǎng)，而將兩者有機(jī)融合在一起，就誕生了Co-EMIB，基于高密度的互連技術(shù)，可以將多個(gè)3D Foveros芯片通過EMIB互連在一起，制造更大規(guī)模的芯片，最終實(shí)現(xiàn)高帶寬、低功耗，以及相當(dāng)有競(jìng)爭(zhēng)力的I/O密度，也能實(shí)現(xiàn)不同芯片、模塊更靈活的組合，基本達(dá)到SoC的性能，更形象一點(diǎn)說，Co-EMIB封裝可以首先實(shí)現(xiàn)多個(gè)不同的Foveros 3D封裝堆疊模塊，每個(gè)模塊內(nèi)包含多個(gè)頂部裸片，而不同裸片高速、緊密相連，彼此間距小于50微米，然后，多個(gè)Foveros 3D模塊與其他獨(dú)立裸片、內(nèi)存裸片，均通過EMIB連接在基板之上，統(tǒng)一封裝，構(gòu)成一個(gè)統(tǒng)一的整體。
四、ODI
ODI全程為Omni-Directional Interconnect，也就是Omni方向性互連的意思，其中Omni-Path正是Intel用在數(shù)據(jù)中心里的一種高效互連方式。
“方向性”一詞恰如其分地概括了ODI的精髓，靈活支持水平、垂直兩種互連、通信方式，更加立體化，同時(shí)裸片間的間距和通道依然極短。頂部的裸片可以利用EMIB互連技術(shù)與同一平面上的其他裸片進(jìn)行水平方向上的通信，也可以類似Foveros的方式通過硅通孔(TSV)技術(shù)與其下的裸片進(jìn)行垂直方向上的通信，從而實(shí)現(xiàn)全方位的互連通信。此外，ODI封裝中的互連通孔更大，所以帶寬高于傳統(tǒng)TSV，電阻和延遲則更低，整體性能更優(yōu)秀，電流也可以直接從封裝基底供給到各個(gè)裸片，實(shí)現(xiàn)更穩(wěn)定的供電。
ODI封裝所需要的垂直通孔通道數(shù)量也少于傳統(tǒng)TSV，為有源晶體管釋放更多空間，因此可以減小裸片面積，可容納更多晶體管和更高性能。
五、MDIO
MDIO全程為Multi-Die IO，也就是多裸片輸入輸出，是此前AIB(高級(jí)互連總線)的進(jìn)化版，為EMIB提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的SiP PHY級(jí)接口，可互連多個(gè)小芯片組合，MDIO封裝支持對(duì)小芯片IP庫(kù)的模塊化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，能效更高，響應(yīng)速度和帶寬密度可以是AIB技術(shù)的兩倍以上，MDIO封裝產(chǎn)品將在2020年推出，相比基于第一代AIB技術(shù)的新品，帶寬、密度、電壓、能效各方面指標(biāo)都有了極大的提升，其中針腳可達(dá)5.4Gbps，值得一提的是，臺(tái)積電也宣布類似的封裝技術(shù)LIPNCON，同樣會(huì)在明年落地，規(guī)格上除了帶寬高于MDIO，其他都明顯落后。
此外，除了上述已經(jīng)基本成熟的芯片封裝技術(shù)，Intel還在前瞻性地研究各種新的、更高效的封裝互連技術(shù)，包括用于裸片堆疊的高密度垂直互連、實(shí)現(xiàn)大面積拼接的全橫向互連、無未對(duì)準(zhǔn)通孔等等。畢竟只有做好互連這種基礎(chǔ)性技術(shù)，才能真正將不同裸片模塊整合在一起，形成一個(gè)有機(jī)的整體，真正實(shí)現(xiàn)更靈活的功能、更強(qiáng)大的性能，媲美SoC單芯片。
另外，多個(gè)小芯片整合封裝在一起后，質(zhì)量測(cè)試會(huì)成為一個(gè)突出的問題，Intel也充分意識(shí)到了這一點(diǎn)，會(huì)確保采用全部技術(shù)能力和創(chuàng)新方案，進(jìn)行更加完整、深入的測(cè)試驗(yàn)證，同時(shí)在成品出爐后也會(huì)進(jìn)行全方位的測(cè)試，確保達(dá)成預(yù)期質(zhì)量和性能。如今的IC開發(fā)中測(cè)試驗(yàn)證變得越來越關(guān)鍵，Intel會(huì)采用一些內(nèi)部專屬的驗(yàn)證設(shè)計(jì)規(guī)則，更加高效地完成測(cè)試流程，并進(jìn)行更開放的產(chǎn)品驗(yàn)證，此外因?yàn)槭忻嫔蠜]有任何方案可以滿足當(dāng)前需求，還在內(nèi)部開發(fā)新的測(cè)試設(shè)備， 以進(jìn)一步提高測(cè)試驗(yàn)證效率。
功耗散熱同樣是個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，Intel也有相應(yīng)的技術(shù)和儲(chǔ)備，可以很好地解決整合封裝底部裸片的熱區(qū)和熱點(diǎn)，還有單片分割技術(shù)，同時(shí)也會(huì)進(jìn)一步減少底部裸片向頂部裸片的熱傳導(dǎo)，改善導(dǎo)熱屬性。至于成本，可以從辯證的角度去看。如果是把多個(gè)不同模塊整合封裝在一個(gè)比較大的芯片內(nèi)，硅成本是會(huì)提高，但是封裝成本大大降低了。如果是把所有模塊都集成于一個(gè)小面積的SoC芯片上，硅成本可以得到控制，但是封裝難度和成本又大大增加。
總結(jié)：
在以往，恐怕沒有多少人關(guān)注過封裝技術(shù)，更想不到它對(duì)于未來新品發(fā)展的關(guān)鍵作用，Intel則通過自己前瞻性的眼光、雄厚的技術(shù)實(shí)力，向我們展示了一個(gè)全新的世界——原來，未來芯片還可以這樣玩兒！
一方面，不同的封裝技術(shù)可以各自面向不同的應(yīng)用需求，用在最契合的細(xì)分市場(chǎng)甚至不排除定制化設(shè)計(jì)。
另一方面，不同的封裝技術(shù)也并不互相排斥，甚至可以針對(duì)性地組合在一起，應(yīng)對(duì)新型需求，就像Co-EMIB就是EMIB、Foveros融合的產(chǎn)物一樣。
在異構(gòu)集成時(shí)代，擁有六大技術(shù)支柱支撐的Intel擁有毋庸置疑的壓倒性優(yōu)勢(shì)，單單就封裝技術(shù)而言，Intel也有著整體、全面的解決方案。值得一提的是，雖然這些封裝技術(shù)方案都是Intel專屬的，暫無計(jì)劃對(duì)外開放授權(quán)，不過Intel也在嘗試推動(dòng)封裝行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化的建立，并且已經(jīng)與兩三家行業(yè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了早期接觸。
半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展到今天，摩爾定律已經(jīng)不可能像傳統(tǒng)趨勢(shì)那樣繼續(xù)飛速前行，但是通過六大技術(shù)支柱的土洞，Intel賦予了摩爾定律新的含義，未來可期！
