英特爾全新的先進(jìn)封裝技術(shù)

為了更好地面向以數(shù)據(jù)為中心的、更加多元化的計(jì)算時(shí)代，英特爾圍繞自身在半導(dǎo)體技術(shù)和相關(guān)應(yīng)用方面的能力提出了構(gòu)建“以數(shù)據(jù)為中心”戰(zhàn)略的六大技術(shù)支柱，即：制程和封裝、架構(gòu)、內(nèi)存和存儲(chǔ)、互連、安全、軟件。而制程和封裝作為六大技術(shù)支柱的首個(gè)要素，實(shí)際上對(duì)其他五大要素來說是重要的核心，也是其他技術(shù)支柱發(fā)展的重要基礎(chǔ)。封裝不僅僅是芯片制造過程的最后一步，它也正在成為芯片產(chǎn)品性能提升、跨架構(gòu)跨平臺(tái)、功能創(chuàng)新的催化劑。

日前，半導(dǎo)體IDM大廠英特爾在上海召開了先進(jìn)封裝技術(shù)解析會(huì)，詳細(xì)介紹了其在今年7月推出的一些列全新封裝技術(shù)架構(gòu)的亮點(diǎn)和意義，其中就包括其在2018年12月舉行的“架構(gòu)日”上宣布的3D封裝技術(shù)Foveros。

該舉動(dòng)顯示，在制程和封裝領(lǐng)域，英特爾正以跨晶體管、封裝和芯片設(shè)計(jì)的協(xié)同優(yōu)化快速革新。

為什么像英特爾、臺(tái)積電這樣的一直引領(lǐng)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)制程技術(shù)發(fā)展的廠商都不約而同地把目光聚焦到先進(jìn)的封裝測(cè)試技術(shù)上呢?

放緩的摩爾定律

自第一顆集成電路發(fā)明至今，集成電路相關(guān)產(chǎn)業(yè)已經(jīng)走過了60年的發(fā)展歷史。在這60年中，半導(dǎo)體制程技術(shù)在摩爾定律的指引下，一路狂奔。

在過去摩爾定律的黃金時(shí)期，隨著制程的進(jìn)化，同樣的芯片的制造成本會(huì)更低，因?yàn)閱挝幻娣e晶體管數(shù)量提升導(dǎo)致相同的芯片所需要的面積縮小。所以制程發(fā)展速度如果過慢，則意味著芯片制作成本居高不下，導(dǎo)致利潤(rùn)無法擴(kuò)大。因此，摩爾定律背后的終極推動(dòng)力其實(shí)是經(jīng)濟(jì)因素。

不過，最近幾年隨著制程技術(shù)開始跨入10納米以下的極限領(lǐng)域，受制于工藝、制程和材料的瓶頸，摩爾定律開始呈現(xiàn)疲態(tài)。一味的追求先進(jìn)制程并不能使廠商的經(jīng)濟(jì)收益得到最大化。

所以，純晶圓代工的格芯和聯(lián)電已經(jīng)先后宣布終止高端先進(jìn)制程的研發(fā)，止步14納米，而英特爾在從14納米向10納米過渡的過程中也是幾經(jīng)周折。

臺(tái)面上，目前還在繼續(xù)研究且有能力部署10納米以下高端先進(jìn)的廠商只剩臺(tái)積電、三星、英特爾三家廠商。

不可否認(rèn)的是，單純從制程技術(shù)上來看，雖有這幾家廠商勉力維持，但摩爾定律確實(shí)放緩了。

于是，如何讓芯片的性能繼續(xù)跟隨摩爾定律的腳步發(fā)展成為了集成電路業(yè)者開始探討的話題，而高端3D封裝就是其中一個(gè)新的選擇。由此，晶圓制造廠商的競(jìng)爭(zhēng)也從明面上的制程之爭(zhēng)轉(zhuǎn)向先進(jìn)封裝的“暗戰(zhàn)”，也就有了前述英特爾、臺(tái)積電等半導(dǎo)體大廠將目光瞄向3D先進(jìn)封裝的事實(shí)。

新的突破口

3D封裝是在同一個(gè)封裝體內(nèi)于垂直方向疊放兩個(gè)以上芯片的封裝技術(shù)，它起源于快閃存儲(chǔ)器(NOR/NAND)及SDRAM的疊層封裝，目前在NAND相關(guān)產(chǎn)品領(lǐng)域應(yīng)用較為成熟。

3D封裝改善了芯片的許多性能，如尺寸、重量、速度、產(chǎn)量及耗能。

一般認(rèn)為，3D封裝發(fā)展可能會(huì)經(jīng)歷以下幾個(gè)階段：具有TSV和導(dǎo)電漿料的快閃存儲(chǔ)器晶圓疊層得快速發(fā)展;隨后會(huì)有表面凸點(diǎn)間距小至5μm的IC表面-表面鍵合出現(xiàn);最后，硅上系統(tǒng)將會(huì)發(fā)展到存儲(chǔ)器、圖形和其它IC將與微處理器芯片相鍵合。

從發(fā)展趨勢(shì)來看，3D封裝為各類芯片的異質(zhì)整合提供了可能，所以被認(rèn)為是摩爾定律能夠延續(xù)的新的突破口。

圖片來源：英特爾

英特爾在此次解析會(huì)上強(qiáng)調(diào)其3D封裝技術(shù)在封裝過程中要達(dá)到低功耗、高帶寬、高性能三大要求。為此，英特爾全面布局了3大全新的封裝技術(shù)架構(gòu)：

第一是Co-EMIB技術(shù)：基于2D封裝的EMIB和3D封裝的 Foveros，利用高密度的互連技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高帶寬、低功耗，并實(shí)現(xiàn)有競(jìng)爭(zhēng)力的 I/O 密度，全新的 Co-EMIB技術(shù)可連結(jié)更高的計(jì)算性能，能夠讓兩個(gè)或多個(gè) Foveros 元件互連，基本達(dá)到單晶片性能。

第二是英特爾的互連技術(shù)ODI，提供封裝中小芯片之間，無論是芯片或模塊之間的水平通信或是垂直通信，互聯(lián)通信都有更多靈活性。

第三是MDIO：是基于先進(jìn)介面匯流排 AIB( Advanced Interface Bus )發(fā)布的 MDIO 全新裸片間接口技術(shù)。MDIO 技術(shù)支持對(duì)小芯片 IP 模塊庫(kù)的模塊化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，能夠提供更高能效，實(shí)現(xiàn) AIB 技術(shù)兩倍以上的速度和帶寬密度。

這其中核心的部分是英特爾的Foveros技術(shù)，該技術(shù)通過在水平布置的芯片之上垂直安置更多面積更小、功能更簡(jiǎn)單的小芯片來讓方案整體具備更完整的功能。

例如我們可以在CPU之上堆疊各類小型的IO控制芯片，從而制造出兼?zhèn)溆?jì)算與IO功能的產(chǎn)品;或者，我們可以干脆將芯片組(南橋)與各種Type-C、藍(lán)牙、WiFi等控制芯片堆疊在一起，制造出超高整合度的控制芯片。按照英特爾的規(guī)劃，未來基于Foveros的3D疊加和EMIB的2D疊加這些都在產(chǎn)品路線圖上。

有了堆疊方式和架構(gòu)，英特爾Co-EMIB、ODI、MDIO等互聯(lián)技術(shù)就成為了3D堆疊、甚至3D/2D整合的過程中實(shí)現(xiàn)芯片互聯(lián)且保持靈活性的關(guān)鍵。

英特爾封裝技術(shù)路線圖，圖片來源：英特爾

基于這些先進(jìn)的封裝技術(shù)和架構(gòu)，英特爾表示能夠?yàn)榭蛻籼峁└黝惖凸摹⒏邘?、高性能的產(chǎn)品。

目前，英特爾第一個(gè)采用Foveros封裝技術(shù)的“ Lakefield ”處理器已經(jīng)發(fā)布。

據(jù)介紹，Lakefield是一款針對(duì)移動(dòng)PC的產(chǎn)品，基于英特爾最新的10nm工藝制造，采用Foveros 3D混合封裝，集成了一個(gè)大核心CPU和四個(gè)小核心CPU。

此外，Lakefield還集成了英特爾第11代的核顯，以及第11.5代IPU圖像處理單元，可以提供從圖像輸入到顯示設(shè)備端到端的數(shù)據(jù)流信號(hào)處理的全面支持。支持4×16-bit LPDDR4內(nèi)存控制器以及多個(gè)I/O模塊。

Lakefield面向便攜式設(shè)備，雖有5個(gè)核心，但是整個(gè)芯片的大小還沒有一枚硬幣大，并且待機(jī)功耗僅有2mW，最大功耗才7W。高達(dá)3.1GHz的頻率也能夠讓其處理一些基礎(chǔ)的工作。

從參數(shù)來看，基于英特爾Foveros 3D封裝的Lakefield芯片確實(shí)能夠大幅提升性能降低功耗，這也算是為延續(xù)摩爾定律提供了新的方向。

英特爾的優(yōu)勢(shì)

當(dāng)然，客戶或消費(fèi)者在購(gòu)買技術(shù)或產(chǎn)品的時(shí)候不僅僅只是看性能而已。

事實(shí)上，半導(dǎo)體科技產(chǎn)業(yè)正在經(jīng)歷非常快速的市場(chǎng)轉(zhuǎn)型，過去以硬件和終端為中心的商業(yè)模式正在加速向以數(shù)據(jù)為中心的智能互聯(lián)世界轉(zhuǎn)變。

隨著現(xiàn)代社會(huì)的數(shù)據(jù)量越來越龐大，英特爾也在圍繞這幾大挑戰(zhàn)發(fā)力，并且著手開發(fā)新的技術(shù)以及解決方案，以期能夠滿足新的商業(yè)模式的需求。

全新封裝架構(gòu)和3D封裝技術(shù)的推出就是英特爾應(yīng)對(duì)制程困境和新的商業(yè)環(huán)境的具體體現(xiàn)。

從技術(shù)層面來看，英特爾Foveros技術(shù)對(duì)于產(chǎn)業(yè)最大的優(yōu)勢(shì)在于它可以將過去漫長(zhǎng)的重新設(shè)計(jì)、測(cè)試、流片過程省去，直接將不同廠牌、不同IP、不同工藝的各種成熟方案封裝在一起，從而大幅降低成本并提升產(chǎn)品上市速度。同時(shí)，這種整合程度的提升也能夠進(jìn)一步縮小整體方案的體積，為萬事萬物的智能化、物聯(lián)網(wǎng)化打開全新的大門。

與此同時(shí)，提供Co-EMIB、ODI、MDIO三大互聯(lián)技術(shù)則是英特爾相比其它3D封裝技術(shù)來說最大的不同，也是其優(yōu)勢(shì)之一。

當(dāng)然，英特爾最大優(yōu)勢(shì)其實(shí)來自于其產(chǎn)業(yè)鏈的整合能力，在異構(gòu)集成時(shí)代，IDM的模式讓英特爾的優(yōu)勢(shì)顯化。

英特爾六大技術(shù)支柱，圖片來源：英特爾

這兩年，​英特爾在多個(gè)場(chǎng)合提出了制程和封裝、架構(gòu)、內(nèi)存和存儲(chǔ)、互連、安全、軟件為基礎(chǔ)的六大技術(shù)支柱戰(zhàn)略，以應(yīng)對(duì)未來數(shù)據(jù)量的爆炸式增長(zhǎng)、數(shù)據(jù)的多樣化以及處理方式的多樣性。

毫無疑問，封裝技術(shù)被英特爾放在了和制程同等重要的最基礎(chǔ)的位置，是其他五大支柱的支撐，也是英特爾參與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的核心優(yōu)勢(shì)。

先進(jìn)封裝技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)垂直以及橫向的同時(shí)互連，并且允許將不同的邏輯計(jì)算單元整合在一個(gè)系統(tǒng)級(jí)封裝里，這是英特爾先進(jìn)封裝技術(shù)一個(gè)非常顯著的優(yōu)勢(shì)。在面向“以數(shù)據(jù)為中心”的計(jì)算時(shí)代，英特爾先進(jìn)封裝技術(shù)與世界級(jí)制程工藝結(jié)合，將成為芯片架構(gòu)師的創(chuàng)意調(diào)色板，引領(lǐng)半導(dǎo)體行業(yè)持續(xù)向前。