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Intel 3D封裝技術(shù)開始量產(chǎn),后摩爾時代競爭已經(jīng)到來
(觀察者網(wǎng)訊)1月25日中午,英特爾官微發(fā)布消息宣布,該公司已實現(xiàn)基于業(yè)界領(lǐng)先的半導體封裝解決方案的大規(guī)模生產(chǎn),其中包括英特爾突破性的3D封裝技術(shù)Foveros。
公司方面表示采用Foveros封裝技術(shù)的芯片將在英特爾最新完成升級的美國新墨西哥州Fab 9芯片工廠投產(chǎn)。這意味著,英特爾已經(jīng)準備好挑戰(zhàn)臺積電在先進封裝方面的領(lǐng)先地位。
據(jù)悉,此次投入量產(chǎn)的英特爾3D先進封裝技術(shù)Foveros在處理器的制造過程中,能夠以垂直而非水平方式堆疊計算模塊。此外,F(xiàn)overos讓英特爾及其代工客戶能夠集成不同的計算芯片,優(yōu)化成本和能效。
英特爾宣稱,這個量產(chǎn)技術(shù)的突破為公司下一階段先進封裝技術(shù)創(chuàng)新奠定了基礎,同時也意味著公司在“后摩爾時代”,推進在單個封裝中集成多個“芯?!保╟hiplets)的異構(gòu)芯片生產(chǎn)中獲得了速度更快成本更低的技術(shù)路徑,為以后實“現(xiàn)單個封裝中集成一萬億個晶體管,并在2030年后繼續(xù)推進摩爾定律”創(chuàng)造了條件。
什么是Foveros,采用Forveros有什么好處
此次提到的英特爾Foveros技術(shù)是一種3D IC技術(shù),也即一種3維集成電路。采用這種技術(shù)的芯片將和傳統(tǒng)芯片在結(jié)構(gòu)上有質(zhì)的不同。
傳統(tǒng)集成電路的制造方式是將晶圓經(jīng)多次光掩模處理,將其光掩模上的電路克隆到每一層晶圓上。然后再進行刻蝕、摻雜等工序制成具有多層線路與器件的IC晶圓。最后將晶圓交給后段進行測試、切割、封裝,以制成實體的集成電路成品。這導致了不同功能的芯片只能集成在基板,而不能融合成一顆芯片。
這樣的設計雖然獲得了巨大的成功,但是隨著半導體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和AI大數(shù)據(jù)需求提升。傳統(tǒng)設計在面對大數(shù)據(jù)和AI需求時,在數(shù)據(jù)搬運、處理和功耗控制方面并不友好。相關(guān)運算過程中大量數(shù)據(jù)搬運本身就會導致大量發(fā)熱,同時基板的數(shù)據(jù)傳輸速度會限制芯片的處理能力。
而以Foveros為代表的先進封裝則改變了芯片的通過基板連接方式。使用先進封裝技術(shù)的芯片通過硅通孔、橋接器、硅中介層或?qū)Ь€層可以實現(xiàn)不同芯片之間完成更大規(guī)模串聯(lián),然后再封裝成一顆芯片。這也就意味著存儲芯片可以更快處理更多數(shù)據(jù)。
這種在一個芯片上集成多種不同材料、不同結(jié)構(gòu)和不同功能元件的一體化技術(shù)也被稱為異構(gòu)/異質(zhì)集成技術(shù)。
不同于2.5D封裝,3D 封裝不采用硅中介層
具體來說,F(xiàn)overos采用的是3D堆疊芯片技術(shù)路徑,3D堆疊不同于其他如2.5D堆疊路線,不需要采用中介層才能實現(xiàn)各種不同功能芯片的連接。而是只需要透過硅穿孔(Through-Silicon Via,TSV)技術(shù)與微凸塊(micro-bumps)搭配,就可以把不同的邏輯芯片堆疊起來。通過實現(xiàn)包括“近存運算”布局等方式進一步提高了數(shù)據(jù)處理速度,減少了能量耗散。但要實現(xiàn)相關(guān)工藝并不容易,根據(jù)英特爾2019年披露信息顯示,F(xiàn)overos的凸塊接點的間距(pitch)僅有約36微米,提高其良品率非常考驗英特爾的生產(chǎn)技術(shù)了。
TSV(硅通孔)工藝將多層平面進行堆疊互連 圖片來源:開源證券
對此,英特爾此前曾非常自豪將其稱為“臉貼臉(Face-to-Face)”的封裝,強調(diào)它的封裝特點。
為什么需要全新技術(shù)路徑的芯片
事實上,發(fā)展全新技術(shù)路徑的芯片已經(jīng)成為業(yè)內(nèi)的共識。在先進芯片領(lǐng)域,我們事實上已經(jīng)進入了“后摩爾時代”。
摩爾定律是一個對很多人來說耳熟能詳?shù)脑~匯。摩爾定律是英特爾創(chuàng)始人之一戈登·摩爾的經(jīng)驗之談,其核心內(nèi)容是:集成電路單位面積上可以容納的晶體管數(shù)量每18個月到24個月就會增加一倍,與此同時功耗和價格不變。換言之,芯片的性能大約每兩年翻一倍,同時單位性能對應的價格減半。
在他的預測中,摩爾定律的實現(xiàn)有兩個關(guān)鍵要素:價格和單位面積晶體管數(shù)量。但是隨著半導體技術(shù)的發(fā)展,這兩者的發(fā)展都很難再繼續(xù)延續(xù)摩爾定律的預言。
根據(jù)《Chiplet Heterogeneous Integration Technology—Status and Challenges》,引用IBS數(shù)據(jù)測算,在22納米工藝制程之后的每一代技術(shù)設計成本增加均超過50%。7納米工藝的總設計成本約3億美元,而3納米工藝總設計成本將增加5倍,達到15億美元。此外中芯國際招股書中引用IBS數(shù)據(jù)表明,集成電路制造的設備投入也呈大幅上升的趨勢。其中,5納米技術(shù)節(jié)點投資成本約155.6億美元,約為28納米的四倍。
ASML EUV光刻機 圖片來源:ASML官網(wǎng)
此外,由于單位面積晶體管數(shù)量快速上升,晶體管特征尺寸縮小到10nm以下,量子隧穿效應導致漏電愈發(fā)嚴重。同時良率的技術(shù)限制(例如光刻機掩模尺寸),現(xiàn)有的單片集成提升變得難以為繼。所以先進芯片需要新的工藝來升級和擴展芯片功能和性能。
近年來AI的發(fā)展也迫使人們尋求更快速處理數(shù)據(jù)的芯片方案。深圳大學校長毛軍發(fā)院士在去年7月底的2023年全國虛實融合交互大會上做報告時候就提到了,近幾十年平均下來,處理器的峰值算力每兩年增長3.1倍,而動態(tài)存儲器的帶寬每兩年增長1.4倍,存儲器的發(fā)展速度遠落后于處理器,相差1.7倍。現(xiàn)有的TB級帶寬難以滿足P級和E級算力需求(1P相當于每秒1000萬億次計算速度,1E是指每秒能做100億億次數(shù)值運算),未來數(shù)據(jù)的讀取存儲速度將決定超級計算機以及超級AI的性能上限。將存儲芯片和運算芯片直接連接的異構(gòu)集成芯片將可以極大的緩解存儲讀取速度慢的難題。
所以為了以更低成本實現(xiàn)芯片性能的根本性提升,基于先進封裝和異構(gòu)集成技術(shù)為芯片未來發(fā)展方案被視作超越摩爾定律的最主要技術(shù)方向。
先進封裝未來已至
隨著先進封裝技術(shù)在近年來的逐步成熟,現(xiàn)有世界半導體巨頭都在不斷推進包括2.5D和3D堆疊芯片在內(nèi)的先進封裝芯片產(chǎn)業(yè)化應用。英偉達、AMD等公司甚至已經(jīng)將先進封裝視作高級AI芯片的一種標配。
英偉達近年推出的包括H100、H200芯片在內(nèi)的多種頂級AI芯片均采用了臺積電成熟的CoWoS 2.5D封裝技術(shù)。而AMD旗下的MI300X AI芯片則混合使用了臺積電的2.5D和3D封裝技術(shù)。
AMD MI300X芯片發(fā)布 圖片來源:AMD
本文系觀察者網(wǎng)獨家稿件,未經(jīng)授權(quán),不得轉(zhuǎn)載。
- 責任編輯: 唐曉甫 
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