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纳须弥于芥子的奥妙!Intel先进封装技术深入解读

2019-11-20 18:06:53 仰山新闻

随着数据量的爆炸和数据形式的变化,以及人工智能、5g、物联网和自动驾驶等新应用的出现,计算面临着新的需求。我们正在进入一个以数据为中心、更加多样化的计算时代,传统的单因素技术已经跟不上时代。

作为半导体行业的巨头,英特尔的工作重点和战略方向多年来也在不断调整。从早期以个人电脑为中心和摩尔定律为导向的指导方针,英特尔逐渐转向以数据为中心。面对未来智能互联的新世界,英特尔也在做各种准备。

去年年底,英特尔首次提出了六大新技术支柱,旨在全方位构建未来愿景。其中,工艺技术和包装被视为最低和核心部分,可以说是其他五大支柱的基石:架构、内存和存储、互连、软件和安全。

制造过程是每个人都熟悉的。xx nm每天都能听到,那么为什么包装可以与它并置呢?

在电子供应链中,芯片封装通常不引人注意,也很少被注意到,但它一直默默发挥着关键作用。没有它,芯片就无法有效地与外界联系和沟通。

然而,随着半导体和芯片技术的日益复杂,尤其是不同芯片的协同工作变得越来越重要,先进封装技术的作用也越来越突出,成为推动摩尔定律在新时代向前发展的核心要素。

与此同时,封装不仅仅是封装和为制造的芯片添加“外壳”那么简单,而是涉及一整套工艺,从晶圆级测试、硅片处理和验证,到芯片衬底和其他材料的集成封装,到后来的芯片测试和电路板开发,所有这些都充满了技术。

凭借领先的基础技术,英特尔希望通过在一个封装中连接多个芯片和小芯片,实现高带宽、低功耗的高密度互连,实现soc单芯片的功能和性能。

高度重视先进封装技术的英特尔也不断产生新的多芯片封装(mcp)成就。从上一年的emib到年初提出的foveros,再到最近集中爆发的co-emib、odi和mdio,再加上先进的制造工艺,是芯片架构设计者最强有力的后盾,为未来芯片差异化发展奠定了坚实的基础。

最近,英特尔邀请了许多公司高级官员和技术专家。包括英特尔集团副总裁兼包装和测试技术开发部总经理巴巴克·萨比、英特尔院士兼技术开发部联席总监ravindranath (ravi) v. mahajan、英特尔包装研究部组件研究部总工程师adel elsherbini、英特尔工艺和包装部技术营销总监jason gorss,共同解释了英特尔高级包装技术和绝对硬核级干货的秘密。在这里,我们也试图为每个人创造一门大众科学。

首先,英特尔如此重视包装技术并提出不同新风格的原因其实很简单。

我们知道,在传统的芯片设计理念中,我们尽可能将不同的模块集成到一个soc中,集成度越来越高。cpu、gpu、内存控制器、i/o内核等都插在一起,由同一过程制造。

当芯片和技术复杂性以及工艺难度不高时,这一概念非常适用。然而,随着时代的发展,技术难度、功耗和成本越来越难以控制。因此,这个概念必须改变。

你应该知道今天不同的芯片架构有不同的任务,并且更加专业化。强迫一个过程集成在一起不是最合适或最经济的方法。例如,传统cpu和新加速器独立工作得更好。此外,不同的新知识产权产品对工艺技术有不同的要求。当然,cpu越新越好,i/o单元也不敏感。

因此,如何以优化的方式组合这些不同的ip,以实现尺寸、性能、互连、功耗、加热、成本等方面的平衡,已成为英特尔一直在努力解决的封装技术的最大挑战。

然而,实现先进封装技术的关键或难点主要在于三个方面:轻而紧凑、高速信号、密度和微间距,这是英特尔一直在努力克服的。

接下来,我们将逐一了解英特尔当前先进封装技术的特点和优势。

I. emib

Emib完全称为嵌入式多芯片互连桥,意思是“嵌入式多芯片互连桥”。

这个术语可能每个人都不熟悉,但说到最典型的产品,很明显,英特尔的kaby lake-g首次集成了amd vega gpu图形内核,它和hbm视频内存之间是一个由emib集成封装的独立芯片。

Emib是一种高密度二维平面封装技术,可以灵活组合不同类型和工艺的芯片ip,类似于松散的soc。

在这种封装模式中,硅内插器起核心作用,并连接不同的管芯。通过它,各种芯片,如cpu、gpu、hbm显示存储器等。,可以灵活混合搭配。对模具的尺寸等没有严格的要求。此外,整体制造简单,包装工艺标准,成本非常经济。

然而,它也有一些缺点,例如增加到插入物的额外连接步骤,这容易影响性能,并且插入物的尺寸也受到限制,因此它更适合于具有较少集成管芯和较少互连要求的一些产品。

二.foveros

2d emib可以说是英特尔先进封装技术的新起点,但2d平面的空间显然有限,应用了foveros 3d立体封装。

Foveros是第一次引入处理器的3d堆叠设计,这是极大地提高多核、异构集成芯片的关键技术。

不同于以前简单的逻辑芯片和存储器芯片的连接,foveros创新地将不同的逻辑芯片堆叠和连接在一起,并且能够“混合和匹配”不同进程、架构和用途的技术ip模块、各种存储器和i/o单元。其中,i/o、sram高速缓存和传输总线集成在基础晶片中,而高性能逻辑单元堆叠在顶部。

这样,传统的大芯片可以分解成更小的小芯片组合,同时,可以集成先前分散的不同模块,以满足不同应用、功耗范围和外部尺寸的设计要求,从而以更低的成本实现更高或更合适的性能。

由于3d堆叠,foveros具有更高的封装密度和集成度。2d emib封装的芯片间距可以是55微米,并且将来只能减小到30-45微米。3d foveros现在可以实现50微米的间距,将来可以进一步减小到20-35微米(有焊料)甚至20微米以下(无焊料)。

Foveros package的第一个产品代码lakefield采用最新的10纳米工艺制造,集成了一个22纳米小内核和许多扩展单元。它将在今年年底装运。

Iii .co-emib

2d emib和3d foveros各有优势,当两者有机结合时,co-emib就诞生了。基于高密度互连技术,多个3d foveros芯片可以通过emib互连,以产生更大的芯片。最后,可以实现高带宽、低功耗和相对有竞争力的i/o密度,并且可以实现不同芯片和模块的更灵活组合,基本上实现soc性能。

更具体地说,co-emib封装可以首先实现多个不同的foveros 3d封装堆叠模块,每个模块包含多个顶部管芯,而不同管芯以小于50微米的间距高速紧密连接。

然后,多个foveros 3d模块、其它独立管芯和存储管芯都通过emib连接在衬底上,并均匀封装形成一个统一的整体。

Odi

Odi是全向互连,这意味着全向互连。omni-path是英特尔在数据中心使用的高效互连。

“方向性”一词恰当地概括了odi的本质,灵活地支持水平和垂直的互连和通信模式,更具立体感,而芯片之间的间距和通道仍然非常短。

顶部管芯可以利用emib互连技术在水平方向上与同一平面上的其他管芯通信,也可以利用tsv技术以类似foveros的方式在垂直方向上与其下的管芯通信,从而实现全方位的互连通信。

此外,odi封装中的互连孔较大,因此带宽高于传统tsv,电阻和延迟较低,整体性能较好,电流也可以直接从封装基板提供给每个管芯,实现更稳定的电源。

odi封装所需的垂直过孔通道数量也少于传统tsv,这为有源晶体管释放了更多空间,从而减少了芯片面积,容纳了更多晶体管并提高了性能。

V.mdio

Mdio是多芯片io,即多芯片输入和输出,是aib(高级互连总线)的进化版本,为emib提供了可以互连多个芯片组的标准化sip物理层接口。

Mdio封装支持小芯片ip库的模块化系统设计,具有更高的能效,响应速度和带宽密度可以是aib技术的两倍以上。

Mdio包装产品将于2020年推出。与基于第一代aib技术的新产品相比,带宽、密度、电压和能效指标有了很大提高,引脚数达到5.4gbps。

值得一提的是,TSMC也宣布了类似的包装技术lipncon,也将于明年登陆。就规格而言,除了带宽高于mdio之外,其他带宽明显落后。

此外,除了上述基本成熟的芯片封装技术外,英特尔还积极研究各种新的、更高效的封装互连技术,包括芯片堆叠的高密度垂直互连、大面积拼接的全横向互连、无错位过孔等。

毕竟,只有做好互连的基础技术,不同的芯片模块才能真正集成在一起,形成一个有机的整体,真正实现比soc单片机更灵活的功能和更强的性能。

此外,在多个小芯片集成和封装在一起之后,质量测试将成为一个突出的问题。英特尔充分意识到这一点,并将确保采用所有技术能力和创新解决方案来进行更加完整和深入的测试和验证。同时,在成品发布后,将进行全面测试,以确保达到预期的质量和性能。

如今,测试验证在集成电路开发中变得越来越重要。英特尔将采用一些内部独家验证设计规则,以更有效地完成测试过程,并进行更开放的产品验证。此外,由于市场上没有满足当前要求的解决方案,它还将在内部开发新的测试设备,以进一步提高测试验证效率。

功耗和散热也是一个关键点。英特尔还拥有相应的技术和储备,可以很好地解决集成封装底部芯片的热点和热点,以及单片分割技术。同时,可以进一步降低从底模到顶模的热传导,提高热传导性能。

至于成本,我们可以从辩证的角度来看。如果将多个不同的模块集成并封装在相对较大的芯片中,硅成本会增加,但封装成本会大大降低。如果所有模块都集成在小面积soc芯片上,硅成本可以控制,但封装难度和成本大大增加。

总结:

在过去,恐怕没有多少人关注包装技术,更不用说它在未来新产品开发中的关键作用了。英特尔凭借其前瞻性的眼光和强大的技术实力,向我们展示了一个全新的世界——最初,未来的芯片仍然可以像这样运行!

一方面,不同的包装技术可以面对不同的应用需求,并且可以在最合适的细分市场中使用,甚至不排除定制设计。

另一方面,不同的包装技术并不相互排斥,甚至可以有针对性地组合在一起,以满足新的需求,就像co-emib是emib和foveros集成的产物一样。

在异构集成时代,英特尔在六大技术支柱的支持下,无疑拥有压倒性优势。仅在封装技术方面,英特尔也有一个全面的解决方案。

值得一提的是,虽然这些封装技术解决方案是英特尔独有的,目前还没有进入oauth2.0的计划,但英特尔也在努力促进封装行业标准化的建立,并已与两三家行业组织进行了早期接触。

随着半导体技术的发展到今天,摩尔定律再也不能像传统趋势那样快速前进了。然而,英特尔通过技术六大支柱中的漏洞赋予摩尔定律新的含义。这在将来是可以预料的!

最后,附上一些现场采集的英特尔包装样本。你能看出哪种包装技术与每种技术相对应吗?

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