納須彌于芥子的奧妙!Intel先進封裝技術深入解讀

EMIB是一種高密度的2D平面式封裝技術,可以將不同類型、不同工藝的芯片IP靈活地組合在一起,類似一個松散的SoC。 ODI全程為Omni-Directional Interconnect,也就是Omni方向性互連的意思,其中...


納須彌于芥子的奧妙!Intel先進封裝技術深入解讀

EMIB是一種高密度的2D平面式封裝技術,可以將不同類型、不同工藝的芯片IP靈活地組合在一起,類似一個松散的SoC。

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用在數據中心里的一種高效互連方式。

作為半導體行業巨頭,Intel這些年來的工作重心和戰略方向也不斷調整,從早期的以PC為核心、摩爾定律為指導方針,逐步轉向以數據為中心,而面對智能互聯的未來新世界,Intel也在做著多方面的準備。

首先,Intel為何會如此重視封裝技術,并提出不同的新樣式,其實原因很簡單。

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一、EMIB

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高度重視先進封裝技術的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,再到近期集中爆發的Co-EMIB、ODI、MDIO,與先進的制程工藝相結合,都是芯片架構設計師的最強有力后盾,也為芯片未來差異化演進奠定了堅實的基礎。

MDIO封裝產品將在2020年推出,相比基于第一代AIB技術的新品,帶寬、密度、電壓、能效各方面指標都有了極大的提升,其中針腳可達5.4Gbps。

如今的IC開發中測試驗證變得越來越關鍵,Intel會采用一些內部專屬的驗證設計規則,更加高效地完成測試流程,并進行更開放的產品驗證,此外因為市面上沒有任何方案可以滿足當前需求,還在內部開發新的測試設備, 以進一步提高測試驗證效率。

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現在就能實現50微米間距,未來還可進一步降至20-35微米(有焊料),甚至是20微米以下(無焊料)。

于是,如何將這些不同的IP以最優化的方式組合在一起,達到尺寸、性能、互連、功耗、發熱、成本等各方面的均衡,就成了對封裝技術最大的挑戰,這也是Intel一直努力解決的。

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更形象一點說,Co-EMIB封裝可以首先實現多個不同的Foveros 3D封裝堆疊模塊,每個模塊內包含多個頂部裸片,而不同裸片高速、緊密相連,彼此間距小于50微米。

而隨著半導體和芯片技術的日益高度復雜化,特別是不同芯片的協同工作越來越重要,先進封裝技術的作用也日益凸顯,成為推動新時代摩爾定律繼續前進的核心要素。

Foveros首次為處理器引入了3D堆疊式設計,是大幅提升多核心、異構集成芯片的關鍵技術。

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2D EMIB可以說是Intel先進封裝技術的一個全新起點,但是2D平面的發揮空間顯然有限,Foveros 3D立體封裝應用而生。

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總結:

然后,多個Foveros 3D模塊與其他獨立裸片、內存裸片,均通過EMIB連接在基板之上,統一封裝,構成一個統一的整體。

 

五、MDIO

在以往,恐怕沒有多少人關注過封裝技術,更想不到它對于未來新品發展的關鍵作用,Intel則通過自己前瞻性的眼光、雄厚的技術實力,向我們展示了一個全新的世界——原來,未來芯片還可以這樣玩兒!

此外,除了上述已經基本成熟的芯片封裝技術,Intel還在前瞻性地研究各種新的、更高效的封裝互連技術,包括用于裸片堆疊的高密度垂直互連、實現大面積拼接的全橫向互連、無未對準通孔等等。

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二、Foveros

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值得一提的是,雖然這些封裝技術方案都是Intel專屬的,暫無計劃對外開放授權,不過Intel也在嘗試推動封裝行業標準化的建立,并且已經與兩三家行業機構進行了早期接觸。

功耗散熱同樣是個關鍵點,Intel也有相應的技術和儲備,可以很好地解決整合封裝底部裸片的熱區和熱點,還有單片分割技術,同時也會進一步減少底部裸片向頂部裸片的熱傳導,改善導熱屬性。

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隨著數據量的爆發、數據形態的變化,以及AI、5G、IoT物聯網、自動駕駛等新應用的層出不窮,計算面臨著全新的需求,K彩官網注冊登錄地址我們正進入一個以數據為中心、更加多元化的計算時代,傳統單一因素技術已經無法跟上時代。

MDIO全程為Multi-Die IO,也就是多裸片輸入輸出,是此前AIB(高級互連總線)的進化版,為EMIB提供一個標準化的SiP PHY級接口,可互連多個小芯片組合。

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在芯片和技術復雜度、工藝難度都不高的時候,這種理念非常合適,但隨著時代的發展,技術難度、功耗、成本等越來越難以控制,必須扭轉觀念。

在電子供應鏈中,芯片封裝通常都很不起眼,也極少有人關注,但卻一直默默地發揮著關鍵作用,沒有它芯片就無從與外界高效連接、溝通。

三、Co-EMIB

至于成本,可以從辯證的角度去看。如果是把多個不同模塊整合封裝在一個比較大的芯片內,硅成本是會提高,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。

此外,ODI封裝中的互連通孔更大,所以帶寬高于傳統TSV,電阻和延遲則更低,整體性能更優秀,電流也可以直接從封裝基底供給到各個裸片,實現更穩定的供電。

近日,Intel又邀請多位公司高層和技術專家,包括Intel集團副總裁兼封裝測試技術開發部門總經理Babak Sabi、Intel院士兼技術開發部聯合總監Ravindranath (Ravi) V. Mahajan、Intel封裝研究事業部組件研究部首席工程師Adel Elsherbini、Intel制程及封裝部門技術營銷總監Jason Gorss,聯合講解了Intel先進封裝技術的奧妙,絕對的硬核級干貨,這里我們也嘗試為大家做一次科普。

畢竟只有做好互連這種基礎性技術,才能真正將不同裸片模塊整合在一起,形成一個有機的整體,真正實現更靈活的功能、更強大的性能,媲美SoC單芯片。

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去年底,星座資訊Intel首次提出了全新的六大技術支柱,全方位構建未來愿景,其中制程工藝與封裝被視為最底層也是最核心的一環,可以說是架構、內存與存儲、互連、軟件、安全其他五大支柱的基石。

另一方面,不同的封裝技術也并不互相排斥,甚至可以針對性地組合在一起,應對新型需求,就像Co-EMIB就是EMIB、Foveros融合的產物一樣。

在這種封裝方式中,發揮核心作用、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,對于裸片的尺寸等也沒有嚴格要求,而且整體制造簡單,封裝工藝也是標準的,成本上非常經濟。

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值得一提的是,臺積電也宣布類似的封裝技術LIPNCON,同樣會在明年落地,規格上除了帶寬高于MDIO,其他都明顯落后。

2D EMIB、3D Foveros各有所長,而將兩者有機融合在一起,就誕生了Co-EMIB,基于高密度的互連技術,可以將多個3D Foveros芯片通過EMIB互連在一起,制造更大規模的芯片,最終實現高帶寬、低功耗,以及相當有競爭力的I/O密度,也能實現不同芯片、模塊更靈活的組合,基本達到SoC的性能。

另外,多個小芯片整合封裝在一起后,質量測試會成為一個突出的問題,Intel也充分意識到了這一點,會確保采用全部技術能力和創新方案,進行更加完整、深入的測試驗證,同時在成品出爐后也會進行全方位的測試,確保達成預期質量和性能。

MDIO封裝支持對小芯片IP庫的模塊化系統設計,能效更高,響應速度和帶寬密度可以是AIB技術的兩倍以上。

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我們知道,在傳統芯片設計理念上,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。

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?

憑借領先的基礎技術,Intel在封裝技術上希望通過在一個封裝內連接多個芯片和小芯片,并實現高帶寬、低功耗的高密度互連,最終達成SoC單芯片的功能和性能。

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這個名詞大家可能會感覺比較陌生,不過說起最典型的產品肯定就明白了,那就是Kaby Lake-G,Intel首次集成AMD Vega GPU圖形核心,它和HBM顯存之間就是獨立裸片采用EMIB整合封裝在一起的。

接下來,我們就逐一瀏覽Intel目前各種先進封裝技術的特點和優勢。

要知道,如今的不同芯片架構都有不同的使命,更加專精,強行用一種工藝整合在一起,并不是最合適也不是最經濟的做法,比如傳統CPU與新型加速器,各自獨立工作效果反而更好,另外不同的新品IP對于制程工藝的要求也不同,CPU這種自然是越新越好,I/O單元則并不敏感。

最后附上現場拍攝的一些Intel封裝樣片,你們能看出各自對應哪種封裝技術嗎?

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EMIB全稱為Embedded Multi-Die Interconnect Bridge,意為“嵌入式多裸片互連橋接”。

ODI封裝所需要的垂直通孔通道數量也少于傳統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。

在異構集成時代,擁有六大技術支柱支撐的Intel擁有毋庸置疑的壓倒性優勢,單單就封裝技術而言,Intel也有著整體、全面的解決方案。

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品。

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不同于以往單純連接邏輯芯片、存儲芯片,Foveros創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、用途的技術IP模塊、各種內存和I/O單元,其中I/O、SRAM緩存、傳輸總線整合在基礎晶圓中,高性能邏輯單元則堆疊在頂部。

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這樣一來,傳統大芯片可以分解成更小的小芯片組合,同時可將之前分散的不同模塊合為一體,以滿足不同應用、功耗范圍、外形尺寸的設計需求,以更低的成本實現更高的或者更適宜的性能。

頂部的裸片可以利用EMIB互連技術與同一平面上的其他裸片進行水平方向上的通信,也可以類似Foveros的方式通過硅通孔(TSV)技術與其下的裸片進行垂直方向上的通信,從而實現全方位的互連通信。

而先進封裝技術實現的重點或者說難點,主要在于輕薄小巧、高速信號、密度和間距縮微三大方面,這也正是Intel一直努力攻克的。

同時,封裝也不僅僅是把制作好的芯片打包加個“外殼”那么簡單,而是涉及到一整套完整流程,從晶圓級測試、硅芯片處理與驗證,到芯片基板與其他材料整合封裝,再到后期芯片測試、電路板開發,都是技術含量滿滿。

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一方面,不同的封裝技術可以各自面向不同的應用需求,用在最契合的細分市場甚至不排除定制化設計。

四、ODI

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半導體技術發展到今天,摩爾定律已經不可能像傳統趨勢那樣繼續飛速前行,但是通過六大技術支柱的土洞,Intel賦予了摩爾定律新的含義,未來可期!

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Foveros封裝的首款產品代號Lakefield,采用最新10nm工藝制造,同時集成22nm小核心和諸多擴展單元,將在今年底出貨。

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“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,同時裸片間的間距和通道依然極短。

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