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先进封装粘出“胶水芯片”

业界 作者:中国电子报 2022-04-25 12:57:35 阅读:107



不久前,华为、苹果等采用自研芯片的手机厂商,纷纷推出了“胶水芯片”相关技术。“胶水芯片”是通过先进封装中的异构集成技术,将两个或者多个芯片用堆叠的方式“粘”在一起而形成的芯片。采用该技术所打造的芯片,能够将多个计算核在不需要额外优化的情况下进行数据互通,是一种有效提升芯片性能,并降低芯片成本的绝佳方案。

 

在摩尔定律逐步放缓的大背景下,“胶水芯片”一时间成为业内重点关注的技术之一。然而,“胶水芯片”能否真正成为拯救先进制程的“救星”呢?

 

“胶水芯片”曾经被诟病


“胶水芯片”的概念已有二十几年的历史。在人们专注于将芯片高度集成化的时期,“胶水芯片”并不吃香,甚至被人诟病。

 

据了解,“胶水芯片”的概念最早起源于1995年。然而,真正将“胶水芯片”概念推向公众视野的,却是一次英特尔迫于市场竞争而采取的无奈之举。据了解,2005年,AMD抢先发布了世界上第一款四核处理器速龙X2。同时,为了能够在市场开拓出新的一片天地,英特尔迅速推出了与AMD的竞争产品——奔腾D,而该产品便是一颗“胶水芯片”。

 

然而,英特尔这颗“胶水芯片”却并没有得到业内的认可。据悉,奔腾D处理器芯片,是将两颗奔腾4芯片直接焊在了一片电路板上,两颗芯片之间存在严重的传输瓶颈,只能通过主板上的北桥芯片进行“沟通”,导致两颗芯片之间的运算效率极其低下,奔腾D的性能也远不如AMD的速龙X2。这一出名的历史事件,也让人们对“胶水芯片”留下了非常不好的印象。

 

与此同时,摩尔定律仍在稳步推进,芯片向高度集成方向发展是此时提供降本增效解决方案的主流方式。这也造成了这段时间“胶水芯片”并不吃香。

 

随着先进封装技术的不断发展,当“胶水芯片”再次“重出江湖”时,却“改头换面”,成为了业内的“宠儿”。

 

不久前苹果推出的M1 Ultra芯片,是采用堆叠技术将两个M1 Max芯片合二为一,并达到了1+1=2的效果。在造芯之路“狂奔”十余载的苹果,通过先进封装的技术,让芯片在性能和功耗方面均有了很大的突破。M1 Ultra芯片实现了两部分之间2.5TB/s的数据传输带宽,统一内存带宽进一步提升至800GB/s,而晶体管数量更是达到了1140亿,首次突破千亿。

 

此外,近期华为公司也首次公开了关于“芯片堆叠技术”的专利,即在一颗芯片内将多个芯粒封装在一起,并将其视为未来重点发展的关键核心技术之一。

 

是无奈之举也是权宜之计


“重出江湖”的“胶水芯片”,为何能“一雪前耻”,成为业内“宠儿”?实际上,这也是在先进制程节点成本越来越高、技术难度越来越大的情况下的一种无奈选择。但是,随着摩尔定律逐步放缓,为了能够有效打造芯片创新技术,“胶水芯片”也不失为是一种权宜之计。

 

根据DIGITIMES数据评估,28nm工艺建厂花费为60亿美元(约合人民币382亿元)。然而到7nm工艺时,建厂成本却增长至120多亿美元(约合人民币765亿元)。到5nm时,这一数字更是增长至160亿美元(约合人民币1019亿元)。可见,晶圆厂的建设成本十分高昂,且随着芯片制程的逐渐缩小不断攀升。

 

然而,投入不断攀高的同时,先进制程芯片的良率却难以随之提升。近期,三星被爆出其采用GAA工艺的3nm芯片良率仅在10%~20%之间。与此同时,台积电和三星的4nm工艺芯片也频频被爆出现功耗高等问题。

 

这一系列先进制程的“翻车”事件,让人们开始把更多目光转向了先进封装领域,通过先进封装技术“粘合”而成的“胶水芯片”,成为了人们重点关注的技术。此外,今日不同往昔,随着制程工艺和封装工艺的发展,各个核心已经可以通过超高的带宽总线进行交流,这使得“胶水芯片”技术,不再停留在“将两个芯片焊在同一片电路板”上,而是能够真正实现芯片性能的提升。

 

中科院微电子所副所长曹立强向《中国电子报》记者表示,“胶水芯片”的技术不仅能够帮助芯片实现架构设计的创新,还能有效实现芯片内的互联互通,二者是“胶水芯片”所实现的最关键的技术突破。

 

首先,在架构方面,“胶水芯片”能够打破现有的架构体系,在架构层面对芯片进行系统化的创新设计。这是由于“胶水芯片”能够通过灵活的异构集成技术,将不同芯片种类、不同架构,甚至不同制程工艺的芯片或芯粒(Chiplet),像搭建乐高一样进行“粘合”,从而打造出新的技术。

 

例如,苹果去年4月公布的一份专利显示,苹果采用与“胶水芯片”相似的技术,利用高度集成的封装方式,打造出了一种重构的3D IC架构,让每个封装层上的单个和多颗裸片,既可以作为功能芯片,也可以作为相邻封装层上多个裸片之间的通信桥梁,实现技术突破。

 

其次,“胶水芯片”能够实现两个芯片间的互联互通,从而提升芯片整体的系统功能。此前,对于一些处理器芯片而言,其处理器区域、存储器区域、接口区域等不同区域之间的互联互通,需要通过布线和线间的一些协议来达成。而“胶水芯片”则可以通过先进封装技术,在芯片之间形成直接的互联互通,大大增强传输效率。例如,苹果M1 Ultra的芯片,采用台积电的CoWoS-S2.5D封装技术,利用硅中介层完成两个芯片之间的互联,M1 Ultra芯片实现了两部分之间2.5TB/s的数据传输带宽。

 

先进制程、先进封装共同发展


以先进封装技术为主导的“胶水芯片”的技术如今一跃成为了业内焦点,但这并不意味着“胶水芯片”能够替代先进制程芯片。曹立强认为,在集成电路领域,没有先进和落后的技术,只有成熟工艺和先进工艺的区分,先进封装技术并不会取代先进工艺技术的发展,“胶水芯片”并不能真正成为拯救先进制程的“救星”,而是二者共同发展。

 

北京超弦存储器研究院执行副院长、北京航空航天大学兼职博导赵超表示,虽然并不是所有芯片都需要用到先进制程,但是在一些特定芯片种类中,对于先进制程的要求是必不可少的。以逻辑芯片和存储芯片为例,逻辑芯片是电子产品中主要的处理引擎,存储芯片是通过在单一芯片中嵌入软件,实现多功能和高性能,功耗和性能对其至关重要,对于先进制程的要求非常高。可见,虽然摩尔定律日趋放缓,但并不意味着对先进制程的需求不同往日。

 

此外,“胶水芯片”同样也存在着弊端。业内专家认为,如今的移动设备,每一寸面积都可谓是“寸土寸金”,而“胶水芯片”尺寸往往会比较大,对于移动设备的外观、重量、内部结构、散热等方面会提出更高的要求,增加系统整合的难度。因此,“胶水芯片”很难在短时间内在移动设备中替代先进工艺芯片。对于移动设备,特别是手机而言,先进制程芯片仍是主流需求。

 

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作者丨沈丛
编辑丨连晓东
美编丨马利亚



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