纳须弥于芥子的奥妙 Intel先进封装技术深入解读

2019年9月18日 | By News | Filed in: News.

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从早期的以PC为核心、摩尔定律为指导方针,逐步转向以数据为中心,而面对智能互联的未来新世界,Intel也在做着多方面的准备。

去年底,Intel首次提出了全新的六大技术支柱,全方位构建未来愿景,其中制程工艺与封装被视为最底层也是最核心的一环,可以说是架构、内存与存储、互连、软件、安全其他五大支柱的基石。

制程工艺大家都不陌生,xx纳米天天都能听到,那么封装为何能与其并列呢?

在电子供应链中,芯片封装通常都很不起眼,也极少有人关注,但却一直默默地发挥着关键作用,没有它芯片就无从与外界高效连接、沟通。

而随着半导体和芯片技术的日益高度复杂化,特别是不同芯片的协同工作越来越重要,先进封装技术的作用也日益凸显,成为推动新时代摩尔定律继续前进的核心要素。

同时,封装也不仅仅是把制作好的芯片打包加个“外壳”那么简单,而是涉及到一整套完整流程,从晶圆级测试、硅芯片处理与验证,到芯片基板与其他材料整合封装,再到后期芯片测试、电路板开发,都是技术含量满满。

凭借领先的基础技术,Intel在封装技术上希望通过在一个封装内连接多个芯片和小芯片,并实现高带宽、低功耗的高密度互连,最终达成SoC单芯片的功能和性能。

高度重视先进封装技术的Intel,也不断拿出新的多芯片封装(MCP)成果,从前年的EMIB到年初提出的Foveros,再到近期集中爆发的Co-EMIB、ODI、MDIO,与先进的制程工艺相结合,都是芯片架构设计师的最强有力后盾,也为芯片未来差异化演进奠定了坚实的基础。

近日,Intel又邀请多位公司高层和技术专家,包括Intel集团副总裁兼封装测试技术开发部门总经理Babak Sabi、Intel院士兼技术开发部联合总监Ravindranath (Ravi) V. Mahajan、Intel封装研究事业部组件研究部首席工程师Adel Elsherbini、Intel制程及封装部门技术营销总监Jason Gorss,联合讲解了Intel先进封装技术的奥妙,绝对的硬核级干货,这里我们也尝试为大家做一次科普。

首先,Intel为何会如此重视封装技术,并提出不同的新样式,其实原因很简单。

我们知道,在传统芯片设计理念上,我们都是尽可能地把不同模块整合在一颗SoC上,集成度越来越高,CPU、GPU、内存控制器、I/O核心等等都被塞到一起,并使用同一种工艺制造。

在芯片和技术复杂度、工艺难度都不高的时候,这种理念非常合适,但随着时代的发展,技术难度、功耗、成本等越来越难以控制,必须扭转观念。

要知道,如今的不同芯片架构都有不同的使命,更加专精,强行用一种工艺整合在一起,并不是最合适也不是最经济的做法,比如传统CPU与新型加速器,各自独立工作效果反而更好,另外不同的新品IP对于制程工艺的要求也不同,CPU这种自然是越新越好,I/O单元则并不敏感。

于是,如何将这些不同的IP以最优化的方式组合在一起,达到尺寸、性能、互连、功耗、发热、成本等各方面的均衡,就成了对封装技术最大的挑战,这也是Intel一直努力解决的。

而先进封装技术实现的重点或者说难点,主要在于轻薄小巧、高速信号、密度和间距缩微三大方面,这也正是Intel一直努力攻克的。

接下来,我们就逐一浏览Intel目前各种先进封装技术的特点和优势。

一、EMIB

EMIB全称为Embedded Multi-Die Interconnect Bridge,意为“嵌入式多裸片互连桥接”。

这个名词大家可能会感觉比较陌生,不过说起最典型的产品肯定就明白了,那就是Kaby Lake-G,Intel首次集成AMD Vega GPU图形核心,它和HBM显存之间就是独立裸片采用EMIB整合封装在一起的。

EMIB是一种高密度的2D平面式封装技术,可以将不同类型、不同工艺的芯片IP灵活地组合在一起,类似一个松散的SoC。

在这种封装方式中,发挥核心作用、连接不同裸片的是硅中介层(Interposer),通过它可以灵活地混搭各种裸片,诸如CPU、GPU、HBM显存等等,对于裸片的尺寸等也没有严格要求,而且整体制造简单,封装工艺也是标准的,成本上非常经济。

不过它也有一些不足之处,比如中介层增加了额外的连接步骤,容易影响性能,而且中介层的尺寸也有限制,所以更适合一些集成裸片不多、互连要求不太高的产品。

二、Foveros

2D EMIB可以说是Intel先进封装技术的一个全新起点,但是2D平面的发挥空间显然有限,Foveros 3D立体封装应用而生。

Foveros首次为处理器引入了3D堆叠式设计,是大幅提升多核心、异构集成芯片的关键技术。

不同于以往单纯连接逻辑芯片、存储芯片,Foveros创新性地把不同逻辑芯片堆叠、连接在了一起,可以“混搭”不同工艺、架构、用途的技术IP模块、各种内存和I/O单元,其中I/O、SRAM缓存、传输总线整合在基础晶圆中,高性能逻辑单元则堆叠在顶部。

这样一来,传统大芯片可以分解成更小的小芯片组合,同时可将之前分散的不同模块合为一体,以满足不同应用、功耗范围、外形尺寸的设计需求,以更低的成本实现更高的或者更适宜的性能。

由于采用3D堆叠,Foveros的封装密度、集成度都更高。2D EMIB封装裸片间距可以做到55微米,未来也只能缩微到30-45微米,3D Foveros现在就能实现50微米间距,未来还可进一步降至20-35微米(有焊料),甚至是20微米以下(无焊料)。

Foveros封装的首款产品代号Lakefield,采用最新10nm工艺制造,同时集成22nm小核心和诸多扩展单元,将在今年底出货。

三、Co-EMIB

2D EMIB、3D Foveros各有所长,而将两者有机融合在一起,就诞生了Co-EMIB,基于高密度的互连技术,可以将多个3D Foveros芯片通过EMIB互连在一起,制造更大规模的芯片,最终实现高带宽、低功耗,以及相当有竞争力的I/O密度,也能实现不同芯片、模块更灵活的组合,基本达到SoC的性能。

更形象一点说,Co-EMIB封装可以首先实现多个不同的Foveros 3D封装堆叠模块,每个模块内包含多个顶部裸片,而不同裸片高速、紧密相连,彼此间距小于50微米。

然后,多个Foveros 3D模块与其他独立裸片、内存裸片,均通过EMIB连接在基板之上,统一封装,构成一个统一的整体。

四、ODI

ODI全程为Omni-Directional Interconnect,也就是Omni方向性互连的意思,其中Omni-Path正是Intel用在数据中心里的一种高效互连方式。

“方向性”一词恰如其分地概括了ODI的精髓,灵活支持水平、垂直两种互连、通信方式,更加立体化,同时裸片间的间距和通道依然极短。

顶部的裸片可以利用EMIB互连技术与同一平面上的其他裸片进行水平方向上的通信,也可以类似Foveros的方式通过硅通孔(TSV)技术与其下的裸片进行垂直方向上的通信,从而实现全方位的互连通信。

此外,ODI封装中的互连通孔更大,所以带宽高于传统TSV,电阻和延迟则更低,整体性能更优秀,电流也可以直接从封装基底供给到各个裸片,实现更稳定的供电。

ODI封装所需要的垂直通孔通道数量也少于传统TSV,为有源晶体管释放更多空间,因此可以减小裸片面积,可容纳更多晶体管和更高性能。

五、MDIO

MDIO全程为Multi-Die IO,也就是多裸片输入输出,是此前AIB(高级互连总线)的进化版,为EMIB提供一个标准化的SiP PHY级接口,可互连多个小芯片组合。

MDIO封装支持对小芯片IP库的模块化系统设计,能效更高,响应速度和带宽密度可以是AIB技术的两倍以上。

MDIO封装产品将在2020年推出,相比基于第一代AIB技术的新品,带宽、密度、电压、能效各方面指标都有了极大的提升,其中针脚可达5.4Gbps。

值得一提的是,台积电也宣布类似的封装技术LIPNCON,同样会在明年落地,规格上除了带宽高于MDIO,其他都明显落后。

纳须弥于芥子的奥妙!Intel先进封装技术深入解读

此外,除了上述已经基本成熟的芯片封装技术,Intel还在前瞻性地研究各种新的、更高效的封装互连技术,包括用于裸片堆叠的高密度垂直互连、实现大面积拼接的全横向互连、无未对准通孔等等。

毕竟只有做好互连这种基础性技术,才能真正将不同裸片模块整合在一起,形成一个有机的整体,真正实现更灵活的功能、更强大的性能,媲美SoC单芯片。

纳须弥于芥子的奥妙!Intel先进封装技术深入解读

另外,多个小芯片整合封装在一起后,质量测试会成为一个突出的问题,Intel也充分意识到了这一点,会确保采用全部技术能力和创新方案,进行更加完整、深入的测试验证,同时在成品出炉后也会进行全方位的测试,确保达成预期质量和性能。

如今的IC开发中测试验证变得越来越关键,Intel会采用一些内部专属的验证设计规则,更加高效地完成测试流程,并进行更开放的产品验证,此外因为市面上没有任何方案可以满足当前需求,还在内部开发新的测试设备, 以进一步提高测试验证效率。

功耗散热同样是个关键点,Intel也有相应的技术和储备,可以很好地解决整合封装底部裸片的热区和热点,还有单片分割技术,同时也会进一步减少底部裸片向顶部裸片的热传导,改善导热属性。

至于成本,可以从辩证的角度去看。如果是把多个不同模块整合封装在一个比较大的芯片内,硅成本是会提高,但是封装成本大大降低了。如果是把所有模块都集成于一个小面积的SoC芯片上,硅成本可以得到控制,但是封装难度和成本又大大增加。

纳须弥于芥子的奥妙!Intel先进封装技术深入解读

总结:

在以往,恐怕没有多少人关注过封装技术,更想不到它对于未来新品发展的关键作用,Intel则通过自己前瞻性的眼光、雄厚的技术实力,向我们展示了一个全新的世界——原来,未来芯片还可以这样玩儿!

一方面,不同的封装技术可以各自面向不同的应用需求,用在最契合的细分市场甚至不排除定制化设计。

另一方面,不同的封装技术也并不互相排斥,甚至可以针对性地组合在一起,应对新型需求,就像Co-EMIB就是EMIB、Foveros融合的产物一样。

在异构集成时代,拥有六大技术支柱支撑的Intel拥有毋庸置疑的压倒性优势,单单就封装技术而言,Intel也有着整体、全面的解决方案。

值得一提的是,虽然这些封装技术方案都是Intel专属的,暂无计划对外开放授权,不过Intel也在尝试推动封装行业标准化的建立,并且已经与两三家行业机构进行了早期接触。

半导体技术发展到今天,摩尔定律已经不可能像传统趋势那样继续飞速前行,但是通过六大技术支柱的土洞,Intel赋予了摩尔定律新的含义,未来可期!

纳须弥于芥子的奥妙!Intel先进封装技术深入解读

最后附上现场拍摄的一些Intel封装样片,你们能看出各自对应哪种封装技术吗?

IT.数码

via cnBeta.COM https://www.cnbeta.com

September 17, 2019 at 07:41PM


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