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封測

先進封裝粘出“膠水芯片”

不久前,華為、蘋果等采用自研芯片的手機廠商,紛紛推出了“膠水芯片”相關技術?!澳z水芯片”是通過先進封裝中的異構集成技術,將兩個或者多個芯片用堆疊的方式“粘”在一起而形成的芯片。采用該技術所打造的芯片,能夠將多個計算核在不需要額外優化的情況下進行數據互通,是一種有效提升芯片性能,并降低芯片成本的絕佳方案。

在摩爾定律逐步放緩的大背景下,“膠水芯片”一時間成為業內重點關注的技術之一。然而,“膠水芯片”能否真正成為拯救先進制程的“救星”呢?

“膠水芯片”曾經被詬病

“膠水芯片”的概念已有二十幾年的歷史。在人們專注于將芯片高度集成化的時期,“膠水芯片”并不吃香,甚至被人詬病。

據了解,“膠水芯片”的概念最早起源于1995年。然而,真正將“膠水芯片”概念推向公眾視野的,卻是一次英特爾迫于市場競爭而采取的無奈之舉。據了解,2005年,AMD搶先發布了世界上第一款四核處理器速龍X2。同時,為了能夠在市場開拓出新的一片天地,英特爾迅速推出了與AMD的競爭產品——奔騰D,而該產品便是一顆“膠水芯片”。

然而,英特爾這顆“膠水芯片”卻并沒有得到業內的認可。據悉,奔騰D處理器芯片,是將兩顆奔騰4芯片直接焊在了一片電路板上,兩顆芯片之間存在嚴重的傳輸瓶頸,只能通過主板上的北橋芯片進行“溝通”,導致兩顆芯片之間的運算效率極其低下,奔騰D的性能也遠不如AMD的速龍X2。這一出名的歷史事件,也讓人們對“膠水芯片”留下了非常不好的印象。

與此同時,摩爾定律仍在穩步推進,芯片向高度集成方向發展是此時提供降本增效解決方案的主流方式。這也造成了這段時間“膠水芯片”并不吃香。

隨著先進封裝技術的不斷發展,當“膠水芯片”再次“重出江湖”時,卻“改頭換面”,成為了業內的“寵兒”。

不久前蘋果推出的M1 Ultra芯片,是采用堆疊技術將兩個M1 Max芯片合二為一,并達到了1+1=2的效果。在造芯之路“狂奔”十余載的蘋果,通過先進封裝的技術,讓芯片在性能和功耗方面均有了很大的突破。M1 Ultra芯片實現了兩部分之間2.5TB/s的數據傳輸帶寬,統一內存帶寬進一步提升至800GB/s,而晶體管數量更是達到了1140億,首次突破千億。

此外,近期華為公司也首次公開了關于“芯片堆疊技術”的專利,即在一顆芯片內將多個芯粒封裝在一起,并將其視為未來重點發展的關鍵核心技術之一。

是無奈之舉也是權宜之計

“重出江湖”的“膠水芯片”,為何能“一雪前恥”,成為業內“寵兒”?實際上,這也是在先進制程節點成本越來越高、技術難度越來越大的情況下的一種無奈選擇。但是,隨著摩爾定律逐步放緩,為了能夠有效打造芯片創新技術,“膠水芯片”也不失為是一種權宜之計。

根據DIGITIMES數據評估,28nm工藝建廠花費為60億美元(約合人民幣382億元)。然而到7nm工藝時,建廠成本卻增長至120多億美元(約合人民幣765億元)。到5nm時,這一數字更是增長至160億美元(約合人民幣1019億元)??梢?,晶圓廠的建設成本十分高昂,且隨著芯片制程的逐漸縮小不斷攀升。

然而,投入不斷攀高的同時,先進制程芯片的良率卻難以隨之提升。近期,三星被爆出其采用GAA工藝的3nm芯片良率僅在10%~20%之間。與此同時,臺積電和三星的4nm工藝芯片也頻頻被爆出現功耗高等問題。

這一系列先進制程的“翻車”事件,讓人們開始把更多目光轉向了先進封裝領域,通過先進封裝技術“粘合”而成的“膠水芯片”,成為了人們重點關注的技術。此外,今日不同往昔,隨著制程工藝和封裝工藝的發展,各個核心已經可以通過超高的帶寬總線進行交流,這使得“膠水芯片”技術,不再停留在“將兩個芯片焊在同一片電路板”上,而是能夠真正實現芯片性能的提升。

中科院微電子所副所長曹立強向《中國電子報》記者表示,“膠水芯片”的技術不僅能夠幫助芯片實現架構設計的創新,還能有效實現芯片內的互聯互通,二者是“膠水芯片”所實現的最關鍵的技術突破。

首先,在架構方面,“膠水芯片”能夠打破現有的架構體系,在架構層面對芯片進行系統化的創新設計。這是由于“膠水芯片”能夠通過靈活的異構集成技術,將不同芯片種類、不同架構,甚至不同制程工藝的芯片或芯粒(Chiplet),像搭建樂高一樣進行“粘合”,從而打造出新的技術。

例如,蘋果去年4月公布的一份專利顯示,蘋果采用與“膠水芯片”相似的技術,利用高度集成的封裝方式,打造出了一種重構的3D IC架構,讓每個封裝層上的單個和多顆裸片,既可以作為功能芯片,也可以作為相鄰封裝層上多個裸片之間的通信橋梁,實現技術突破。

其次,“膠水芯片”能夠實現兩個芯片間的互聯互通,從而提升芯片整體的系統功能。此前,對于一些處理器芯片而言,其處理器區域、存儲器區域、接口區域等不同區域之間的互聯互通,需要通過布線和線間的一些協議來達成。而“膠水芯片”則可以通過先進封裝技術,在芯片之間形成直接的互聯互通,大大增強傳輸效率。例如,蘋果M1 Ultra的芯片,采用臺積電的CoWoS-S2.5D封裝技術,利用硅中介層完成兩個芯片之間的互聯,M1 Ultra芯片實現了兩部分之間2.5TB/s的數據傳輸帶寬。

先進制程、先進封裝共同發展

以先進封裝技術為主導的“膠水芯片”的技術如今一躍成為了業內焦點,但這并不意味著“膠水芯片”能夠替代先進制程芯片。曹立強認為,在集成電路領域,沒有先進和落后的技術,只有成熟工藝和先進工藝的區分,先進封裝技術并不會取代先進工藝技術的發展,“膠水芯片”并不能真正成為拯救先進制程的“救星”,而是二者共同發展。

北京超弦存儲器研究院執行副院長、北京航空航天大學兼職博導趙超表示,雖然并不是所有芯片都需要用到先進制程,但是在一些特定芯片種類中,對于先進制程的要求是必不可少的。以邏輯芯片和存儲芯片為例,邏輯芯片是電子產品中主要的處理引擎,存儲芯片是通過在單一芯片中嵌入軟件,實現多功能和高性能,功耗和性能對其至關重要,對于先進制程的要求非常高??梢?,雖然摩爾定律日趨放緩,但并不意味著對先進制程的需求不同往日。

此外,“膠水芯片”同樣也存在著弊端。業內專家認為,如今的移動設備,每一寸面積都可謂是“寸土寸金”,而“膠水芯片”尺寸往往會比較大,對于移動設備的外觀、重量、內部結構、散熱等方面會提出更高的要求,增加系統整合的難度。因此,“膠水芯片”很難在短時間內在移動設備中替代先進工藝芯片。對于移動設備,特別是手機而言,先進制程芯片仍是主流需求。

責任編輯:沈叢


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