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封裝對于集成電路來講是最主要的工具，先進(jìn)的封裝方法可以顯著地幫助提高IC性能。了不起的是，這些技術(shù)中有許多已經(jīng)足夠成熟，而且已經(jīng)存在足夠長的時(shí)間，現(xiàn)在甚至連初創(chuàng)公司和大學(xué)都可以使用它們。
雖然這些技術(shù)中已經(jīng)被代工廠所采納，但最新最有前途的一項(xiàng)技術(shù)——chiplets，還不成熟。英特爾的Ramune Nagisetty表示，對于提高技術(shù)水平，目前最缺的是在先進(jìn)封裝中混合和匹配硅元件創(chuàng)造更標(biāo)準(zhǔn)化的接口。這樣做的目的可以降低在這個(gè)生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮作用的障礙。
英特爾技術(shù)開發(fā)部流程和產(chǎn)品集成總監(jiān)Nagisetty是英特爾的封裝專家;英特爾作為美國先進(jìn)半導(dǎo)體工藝技術(shù)的最后堡壘之一，他們認(rèn)為先進(jìn)的封裝技術(shù)將作為未來發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。Nagisetty表示，英特爾對其每一個(gè)封裝載體都有一個(gè)技術(shù)路線圖，就像它一直對工藝技術(shù)有路線圖一樣。

 

封裝一直是半導(dǎo)體行業(yè)沒有多大吸引人的領(lǐng)域，但大約15年前，它開始走向舞臺(tái)，封裝技術(shù)可能成為一個(gè)性能瓶頸，但只要稍加創(chuàng)新，不僅可以避免這個(gè)瓶頸，而且新的封裝方法可以提高IC性能。

 

英特爾這樣做已經(jīng)有一段時(shí)間了。據(jù)Nagisetty介紹，為了提供異構(gòu)芯片的高密度互連，英特爾在2008年提出了嵌入式多芯片互連橋接技術(shù)(EMIB)技術(shù)。

 

EMIB是2.5D技術(shù)的一個(gè)變種。2.5D封裝的常用方法是使用硅中介層，它是夾在兩片芯片之間的一層帶孔的硅。英特爾認(rèn)為中介層有些太大，所以它的EMIB使用了一個(gè)有多個(gè)路由層的橋接器。

 

Nagisetty：“新技術(shù)在開始使用之前需要一個(gè)臨界點(diǎn)，”轉(zhuǎn)折點(diǎn)是基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的人工智能架構(gòu)。 “這是很重要的一點(diǎn)——它顯示了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的可行性，并且在封裝內(nèi)產(chǎn)生了加速器和高帶寬內(nèi)存——這為將內(nèi)存嵌入封裝內(nèi)奠定了根基。”
如今在傳統(tǒng)半導(dǎo)體工藝微縮技術(shù)變得越來越復(fù)雜且昂貴的此刻，像EMIB這樣能實(shí)現(xiàn)高性能芯片組的低成本、高密度封裝技術(shù)日益重要。臺(tái)積電(TSMC)所開發(fā)的整合型扇出技術(shù)(InFO)也是其中一種方案，已被應(yīng)用于蘋果(Apple) iPhone的A系列處理器。

 

英特爾一直將EMIB幕后技術(shù)列為“秘方”，包括所采用的設(shè)備以及在芯片之間打造簡化橋接的方法；不過該公司打算將AIB變成一種任何封裝技術(shù)都能使用、連接“小芯片”的標(biāo)準(zhǔn)接口，以催生一個(gè)能支持自家產(chǎn)品的零件生態(tài)系統(tǒng)。

 

從歷史上看，半導(dǎo)體行業(yè)的總體發(fā)展將越來越多的功能集成到芯片上，但對于一些先進(jìn)集成電路設(shè)計(jì)來說，這或許是不可能的。

 

首先，一個(gè)公司不可能把一些應(yīng)用程序所需的所有電路放在一個(gè)巨大的模具上，從生產(chǎn)的角度來看，模具的尺寸是有限的。

 

Nagisetty指出:“推動(dòng)這一趨勢的第二點(diǎn)是，重復(fù)使用的設(shè)計(jì)成本不斷上升，以及特定技術(shù)節(jié)點(diǎn)對IP可移植性的需求。”無論是針對移動(dòng)設(shè)備還是高性能，邏輯技術(shù)正變得越來越專業(yè)化，在先進(jìn)集成電路設(shè)計(jì)中，幾乎不需要在相同的技術(shù)節(jié)點(diǎn)上實(shí)現(xiàn)SerDes。更重要的是，有可能將某一項(xiàng)技術(shù)(例如SerDes)定制為一個(gè)技術(shù)節(jié)點(diǎn)。

 

Nagisetty引用了Intel Stratix FPGA的例子：有一個(gè)Stratix FPGA菜單，在六個(gè)不同的技術(shù)節(jié)點(diǎn)上執(zhí)行，可從三個(gè)不同的工廠獲得。“我認(rèn)為Stratix是第一個(gè)達(dá)到每秒58千兆字節(jié)的產(chǎn)品。”“它使我們更具競爭力，并率先以高速SerDes進(jìn)入市場。”

 

使用高級封裝的第三個(gè)原因是獲得敏捷性和靈活性。“對于不同技術(shù)，chiplets在混合和匹配的價(jià)值正變得越來越明顯。”

 

Nagisetty表示，英特爾的Kaby Lake G和Lakefield產(chǎn)品就是兩個(gè)很好的例子。
這是利用先進(jìn)封裝提高最終使用性能的一個(gè)明顯例子。

 

Intel和AMD雖說是死對頭，但是去年雙方竟然意外合體，合作推出了Kaby Lake-G系列處理器，Kaby Lake G使用英特爾的EMIB 2.5D方法，而Lakefield則依靠die堆疊- 3D堆疊。英特爾稱其3D堆疊系統(tǒng)為Foveros。它使用Intel的CPU搭配AMD的Radeon顯卡及HBM2顯存，圖形性能非常亮眼。不過Kaby Lake-G的市場化不算成功，現(xiàn)在Intel決定停產(chǎn)這款A(yù)/I合作的處理器了。根據(jù)Intel發(fā)布的通知，Kaby Lake-G系列從10月7日開始退役，2020年1月31日為最后的訂單日，2020年7月31日為最后的出貨日，之后就完全停產(chǎn)了。
Lakefield是證明了先進(jìn)封裝可以帶來最小X-Y引腳。” 用戶可以從性能或外形上看到好處。

 

英特爾開發(fā)了一組豐富的封裝技術(shù)，而且為了使事情更有簡單，它們可以混合匹配。例如，英特爾推出的“Co-EMIB”，這是EMIB和Foveros的結(jié)合。

 

2019年，英特爾推出了兩種更先進(jìn)的封裝變體，全向互聯(lián)(ODI)，從架構(gòu)的角度來看，它是EMIB和Foveros的下一個(gè)演進(jìn)步驟，英特爾能夠?qū)⒍鄠€(gè)芯片堆疊在玻璃纖維基板的上方，相互之間的上方；以及基板的壓痕和空腔內(nèi)。ODI由類似EMIB的硅片組成，可以在兩個(gè)硅片之間實(shí)現(xiàn)高密度布線(如GPU和內(nèi)存堆棧，或SoC和核心邏輯)；以及作為硅片凸點(diǎn)延伸到基板的銅極。它會(huì)帶來若干好處，包括通過穿硅通孔(tsv)向堆疊中的頂部管芯輸送功率。

 

英特爾、臺(tái)積電和其他公司正在研究一種被稱為銅-銅混合鍵合的方法，這是堆疊技術(shù)的另一種變體，這可能會(huì)帶來3D IC的創(chuàng)新，并可以將更多的DRAM芯片連接起來，這種組合被稱為DRAM cubes。
我們是否有明確的路徑來不斷改進(jìn)這些封裝技術(shù)，就像連續(xù)的生產(chǎn)過程節(jié)點(diǎn)總是被繪制出來的那樣？

 

Nagisetty：“我們的每一個(gè)封裝載體都有一個(gè)技術(shù)路線圖，”“所以，我們有一個(gè)中介層，它可以降低溝道高度。Foveros將達(dá)到25微米。混合鍵合將從10微米開始，并逐漸降低。”

 

Kaby Lake G的例子激發(fā)了芯片設(shè)計(jì)者們的夢想，即混合和匹配來自不同供應(yīng)商的功能，而不僅僅是一個(gè)供應(yīng)商。這是chiplets的關(guān)鍵概念。

 

從商業(yè)角度來看，chiplets方法很有意義。芯片上高度集成的SoC成本可能非常高。此外，這種高度集成的半導(dǎo)體系統(tǒng)的復(fù)雜性使制造更具挑戰(zhàn)性;較高的復(fù)雜性與產(chǎn)量損失有直接關(guān)系。

 

美國國防高級研究計(jì)劃局(DARPA)正在支持一項(xiàng)計(jì)劃，以推動(dòng)chiplets市場。DARPA對這項(xiàng)技術(shù)的看法是:

 

由于初始原型成本高和對替代材料集的要求等因素，最先進(jìn)的SoC的整體特性并不總是為國防部(DoD)或其他小體積應(yīng)用所接受。為了增強(qiáng)下一代產(chǎn)品的整體系統(tǒng)靈活性和減少設(shè)計(jì)時(shí)間，微電子綜合常用功能整合及微電子知識(shí)產(chǎn)權(quán)產(chǎn)品重新優(yōu)化利用計(jì)劃(簡稱CHIPS)尋求在IP重用中建立一個(gè)新的范例。

 

CHIPS 項(xiàng)目的主要目標(biāo)，是開發(fā)出全新的技術(shù)框架，將如今電子產(chǎn)品中插滿芯片的電路板壓縮成為尺寸小得多的集成“微芯片零件組”。這種框架會(huì)將受知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)的微電子模塊與其功能整合成“微芯片零件”。這些微芯片零件能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、信號處理和數(shù)據(jù)處理等功能，并可以隨意相連，如拼圖一樣拼成“微芯片零件組”。
CHIPS項(xiàng)目有望催生更多新技術(shù)產(chǎn)品，如更小的集成電路板替代品，要求高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和強(qiáng)大處理性能緊密結(jié)合的高帶寬射頻系統(tǒng)，通過整合各種處理以及加速功能的 “微芯片零件”，還可以得到能夠從大量雜亂數(shù)據(jù)中過濾出可用數(shù)據(jù)指令的快速機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)。
與更復(fù)雜的SoC相比，使用chiplets可以顯著降低成本。這張圖是AMD的Lisa Su在2017年IEDM會(huì)議上發(fā)表的一篇論文中展示的，并被開放計(jì)算項(xiàng)目復(fù)制。

 

美國芯片法案確實(shí)專門為高級封裝研究進(jìn)行了資助，但它沒有特別提到DARPA的芯片計(jì)劃。

 

Nagisetty介紹，英特爾當(dāng)然參與了DARPA的芯片計(jì)劃。“Stratix FPGA是這方面的核心。”

 

CHIPS成功的關(guān)鍵總體來說是chiplets技術(shù)，它將創(chuàng)造更標(biāo)準(zhǔn)化的接口，這樣其他公司的芯片就可以連接起來。

 

英特爾的另一項(xiàng)發(fā)明——AIB接口總線技術(shù)

 

開發(fā)通用接口是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)，因?yàn)橐紤]許多因素，并且并非所有應(yīng)用程序都必須以相同的方式權(quán)衡利弊。接口技術(shù)中要考慮的一些因素是成本，面積，每位能量，帶寬，等待時(shí)間，距離，可伸縮性以及在不同過程節(jié)點(diǎn)中實(shí)現(xiàn)的能力。幸運(yùn)的是，在DARPA的支持下，英特爾已經(jīng)使其高性能的高級接口總線（AIB）用于通過git-hub的開源框架公開免費(fèi)地連接小芯片。該接口可提供任何競爭解決方案中最高的帶寬和最低的每位功率，并實(shí)現(xiàn)接近單片的互連性能。英特爾多年來一直在生產(chǎn)帶有該接口的產(chǎn)品，目前在Stratix 10 FPGA系列上提供該產(chǎn)品，以將chiplets連接到FPGA架構(gòu)。隨著英特爾在業(yè)界的影響力以及正在采用的新興財(cái)團(tuán)，AIB有望成為chiplets互連標(biāo)準(zhǔn)。