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英特尔:还没见过先进封装就别急着评论摩尔定律

英特尔:还没见过先进封装就别急着评论摩尔定律

发布时间:2019-10-28 17:28:11     阅读:(4990)

[pconline八卦]在《乐高芯片?在“英特尔新思维背后的技术进步”一文中,我们讨论了英特尔最新foveros、emib和co-emib技术的意义和原则。所以今天,让我们继续谈论包装技术。

只要我们联合起来,我们就会分裂;只要我们分裂,我们就会合并。这不仅是世界上的普遍趋势,也是计算机领域的趋势,甚至是在几英寸之间的芯片上。同样的原则也适用。为此,我们专门发明了一个新概念来描述这种现象——计算能力的多样化!

人工智能、大数据分析和其他应用类型的出现极大地增加了对数据中心计算能力的需求。另一方面,由于半导体技术的限制,仅靠cpu无法满足这些要求。因此,不同于cpu的异构加速器卡已经成为当今许多系统的标准。

即使对于cpu本身来说,随着芯片规模和架构越来越大,制造难度和设计成本也在快速上升。这也在很大程度上限制了cpu的发展速度。

面对芯片领域日益增长的需求和制造过程中越来越多的约束,人们在针对芯片本身设计思想的同时,也在推动cpu流程和架构的演进:

由于不可能阻止计算能力多样化的总趋势,也不可能无限制地将计算卡添加到计算机中,所以最好将这种多样化限制在包的内部。这不仅可以保证计算机体系结构的相对统一,而且可以大大降低芯片和系统的成本以及设计和制造的难度。

因此,小芯片概念应运而生。

所谓的小芯片是指将传统的大芯片分成多个更小的芯片,这些芯片更容易设计、制造和封装在一起,从而降低成本,同时实现更多功能和更好的性能。

小芯片下的英特尔封装发展

CPU——中央处理器.

在过去,这个单一的单位可以指封装或芯片。因为受到封装技术的限制,我们很少看到一个封装包含多个芯片。

然而,在小芯片概念的影响下,cpu在封装级仍然是“奇数”,但是在封装内部的芯片级,在这个中央处理单元之后可能会添加一个“s”。

作为半导体行业的领先力量,英特尔也正在经历一轮“以数据为中心”的转型,并为此构建了六项功能。在从半导体到系统的六种生态能力中,英特尔已经将制造过程和包装置于最内层。言下之意是,流程和封装技术是英特尔的基础。

回到小芯片的话题,随着封装技术的进步,cpu已经实现了从单芯片到多芯片、从单元到单元的进化。

左边是英特尔的cpu,中间是amd的gpu,右边是hbm

早在2017年,就有消息称英特尔将把它的处理器、amd的gpu和hbm高速显示存储器封装到一个芯片中,以满足高性能轻型笔记本制造商的需求。在过去的两年里,英特尔不仅生产了这样的产品,而且通过封装技术的发展,在芯片封装层面上打开了用户和市场的想象之门。

9月4日,英特尔在上海展示了其最新的封装技术:可垂直堆叠芯片的3d foveros、可在封装内水平互连芯片的emib技术以及它们的组合co-emib。

对于这三种技术的原理和意义,读者和大师可以转向“把芯片想象成乐高”英特尔新思维背后的技术进步。不仅有图片和文本,还有动画视频,这些技术原理易于理解,适合所有年龄段。这里不再重复。

用乐高开启新的芯片世界

乐高与传统积木的最大区别在于,乐高的每一小块都有许多圆柱形突起,这可以使众多的小部件融合成一个紧密相连且有意义的整体,从而形成生动的场景。

像乐高一样,英特尔新一代封装技术的精髓不仅仅是“封装”,而是实现封装内芯片与芯片之间的整体互联,从而使封装内的所有芯片形成一个整体。这是封装技术发展的方向,也是英特尔先进封装技术研究的重点。

巴贝克·萨比,英特尔公司副总裁兼封装测试技术开发部总经理

正如英特尔公司副总裁兼封装测试技术开发部总经理巴巴克·萨比在展会现场所说,我们不仅要将所有芯片封装在一起,还要让它们作为一个整体工作。

然后我们将讨论围绕封装和互连的一系列关键问题。

1.如何实现包装的横向扩展?

横向扩展的困难在于不同高性能芯片的有效互连。所谓的高效率意味着这种互连不仅需要提供更高的带宽和更低的延迟,还需要满足管芯的能量消耗要求。

对于稀有的半成品emib产品,两个管芯的中间部分是由硅制成的连接部分,管芯之间的数据互连只需覆盖一点点即可完成,因此效率非常高,节省了材料。

这是一个相对完整的工程样本。中间的两个cpu芯片和它们周围的八个芯片是hbm存储器。

基于硅的Emib在特性上优于传统的铜互连

英特尔的做法是在芯片和塑料衬底之间预先放置一层由硅制成的半导体层。通过蚀刻技术处理该半导体层以形成电路(而不是形成像芯片一样的晶体管),然后通过金属沉积工艺形成互连电路。

与传统的在塑料衬底中嵌入导线的方法相比,这种硅基工艺可以在更小的空间中放置更复杂的电路,从而实现更多芯片之间更有效的互连。

2.如何实现包装的纵向堆叠?

与水平扩展相比,垂直堆叠要复杂得多,难点仍然在于如何解决有效互连的问题。

首先,如果芯片要在纵向堆叠后满足各层之间的互连问题,就必须在芯片上钻孔,并通过金属线导通电路。然而,在模具中钻孔的这种行为必须在设计阶段考虑(另一方面,如何在硅(一种硬度极高、韧性极差的材料)中高效、快速、准确地钻孔也是一件非常困难的事情)。

其次,散热非常重要。第一个原理是,具有最高发热和最高功耗的管芯应该布置在顶层,使得它最靠近散热器并且温度相对容易控制。当然,在许多情况下,高功耗意味着高芯片性能和高数据吞吐量,这意味着需要更多数据和电源引脚才能通过下层和基板。这将给下模和中模的设计和制造带来更多的挑战。

Ravi mahajan,英特尔院士,技术发展部联合主任

用英特尔院士兼技术开发部联合主任拉维·马哈扬(ravi mahajan)的话来回答这个问题会更简单、更清楚:所有参与的芯片都需要设计并考虑为单个芯片,以便进行垂直堆叠封装。

通过右上角的小图片,我们可以看到垂直堆叠的芯片数量。

通过左下角的电子显微照片,我们可以看到芯片和下面芯片上的垂直开口之间的相互连接。

英特尔即将推出的莱克菲尔德soc产品使用foveros技术将各种功能芯片、cpu和内存完全封装在一起。

现场展示的莱克菲尔德样品,左边1是成品,右边2是尚未包装dram部件的半成品。

3.先进包装技术在水平和垂直方向的扩展规模有哪些限制?

首先,水平方向的扩展不会受到成本和总功耗以外的因素的显著限制,因为emib可以很好地解决封装内部的互连问题。在现场,英特尔展示了28个芯片的样本,在几英寸之间获得了壮观的景象。

其次,垂直方向的堆叠将受到一系列因素的限制,例如功耗、加热、设计等。

14个管芯通过使用co-emib技术封装在一起(co-emib=水平互连emib+垂直互连foveros)

请注意,红色框架内的部分没有任何功能,其意义在于扩大芯片和散热器之间的接触面积,以提供更高的热交换速率(因为硅是优良的导热体),从而改善散热问题。

两组芯片集成在一起,形成一个具有28个功能内核的壮观产品

4.升级包装技术贵吗?

首先,升级工作需要工厂和密封工厂的配合。

其次,主要的升级工作将侧重于工厂的密封和测试。

第三,包装技术的升级非常昂贵,但并不像工艺技术的升级那样昂贵(对不起,我们仍然不知道具体的升级成本)。

第四,升级不需要改变现有的流程和程序,但只会增加额外的流程和设备。

第五,升级将从英特尔在美国的哈德森工厂开始。

第六,新技术的实际安装仍然需要一段时间的调试和能力提升。

5.我们会在英特尔的新包装技术中看到其他制造商的产品吗?

是的。

还记得之前发布的芯片吗,英特尔和amd终于走到了一起

这是系统制造商(笔记本制造商)订购的批量生产产品

尽管英特尔拥有大量处理器和存储产品,但为了在一个封装中实现更多功能,其他ip的参与是必不可少的。

在现场演示中,我们可以看到英特尔已经用现代hbm包装了自己的产品。

未来,在新的封装技术安装后,其他制造商也可以通过购买英特尔原始设备制造商(intel OEM)服务来实现多样化的封装。

摩尔定律的新实践

在摩尔定律的原始版本中,集成电路中包含的晶体管数量每两年左右翻一番(著名的短语“性能每18个月翻一番”后来由英特尔首席执行官大卫·豪斯提出)。

然而,从实际半导体技术的角度来看,我们也必须承认,工艺技术发展速度的放缓极大地影响了摩尔定律的持续实践。作为这一行业标准的发起者,英特尔显然有很大的动机继续坚持摩尔定律。

然而,当制造过程不能满足需求时,寻找另一种方法就成为必然的选择。

英特尔先进封装技术的演进带来的芯片水平扩展和垂直堆叠可以大大降低半导体产品的设计和制造难度,并带来晶体管密度和整体芯片性能的双重提高。因此,包装技术可以成为推动摩尔定律在很大程度上向前发展的第二轮,无论从哪个层面。

这相当于为包括英特尔在内的整个半导体行业开辟了全新的发展道路和空间。

受foveros、emib和co-emib的启发,我们将来可能会像关注工艺技术一样关注包装技术。