將內存“塞”進CPU，英特爾將3D封裝發(fā)揮到極致？

還有不到一個月，英特爾全新一代Meteor Lake系列處理器就要上市了。

作為酷睿品牌下極具里程碑意義的一代產(chǎn)品，這代處理器被英特爾官方寄予厚望，不僅采用了全新的命名規(guī)則（酷睿 Ultra），同時還用上了目前最先進的封裝技術。

就在最近，英特爾正式對外展示了酷睿Ultra 1代處理器的部分技術細節(jié)，其中最大的亮點，莫過于處理器中集成的內存了。

在Foveros封裝技術下，這款CPU成品集成了16GB的三星LPDDR5X-7500內存，可提供120GB/s的峰值帶寬，甚至比目前頂尖的DDR5-5200與LPDDR5-6400還快。


塞進更多晶體管，全靠3D封裝

把內存塞進CPU，這不是英特爾第一次嘗試。在代號Sapphire Rapids-HBM的 Xeon Max處理器上，英特爾就集成了64GB的HBM2e內存。

這是一款面向高性能計算（HPC）和人工智能（AI）的高性能芯片，擁有56個基于Golden Cove架構的性能內核，在EMIB（Embedded Multi-die Interconnect Bridge，嵌入式多芯片互連橋接）封裝技術的幫助下，這些性能內核一共構成了四個集群。

據(jù)英特爾稱，Xeon Max配備的HBM內存足以滿足最常見的HPC工作負載，并且與競爭對手的同類產(chǎn)品對比中，性能高出4.8倍。

簡單來說，在CPU內部的低延遲上集成高速的HBM內存，本身就比DDR4、DDR5等內存快上不少，在服務器產(chǎn)品上優(yōu)勢會更大。

而最重要的是，集成了HBM內存的CPU，在價格上也更加優(yōu)惠。

不過作為一項2.5D封裝技術，EMIB技術雖然在散熱、成本等方面具有優(yōu)勢，更適合高存力、高算力的芯片。對于制程工藝不斷升級的消費級處理器來說，2.5D封裝技術并不太適合。

因此除了EMIB封裝技術外，英特爾還推出了3D封裝技術Foveros，該技術通過使用硅通孔(TSV)，在有源轉接板上集成不同類型的器件，搭配上更加靈活，同時提高了核心能力。

在2019年，英特爾首次在處理器平臺Lakefield上嘗試了Foveros封裝技術，在指甲蓋大小的芯片內塞進了1顆大核（Sunny Cove架構）和4顆小核（Tremont架構）共計5個核心，以及LPDDR4內存、L2和L3緩存和Gen11 GPU單元，組成了類似手機處理器的SoC系統(tǒng)。

從這里就可以出來，在3D封裝技術下，整個處理器在嵌入更多模塊的前提下，實現(xiàn)了大幅瘦身。

對于長期以來被吐槽“擠牙膏”的酷睿芯片來說，僅憑制程工藝的提升，顯然跟不上消費者的需求，因此將先進封裝技術用在新一代芯片上非常好理解。

不過從目前網(wǎng)上透露的數(shù)據(jù)來看，酷睿14代桌面處理器仍然只是13代處理器的頻率提升版本，因此集成了LPDDR5X內存的Ultra 1代處理器可能并不會這么快就面向消費級市場。


3D封裝成大勢所趨，技術挑戰(zhàn)不容小覷

隨著芯片微縮愈加困難，而市場對芯片高性能的追逐不減，業(yè)界開始探索在封裝領域尋求突破，所以這幾年，諸如2.5D/3D的先進IC封裝技術已經(jīng)成為代工廠、封測廠、IDM、芯片設計廠商以及EDA廠商都競相關注的一環(huán)。

但由于成本的原因，高級封裝主要用于高端、面向利基市場的應用，如HPC等。3D封裝技術在HPC等主要的產(chǎn)業(yè)推動下迎來快速發(fā)展。據(jù)Yole 2022Q1發(fā)布的先進封裝市場分析報告，先進封裝市場的整體收入預計將以10.11%的年復合增長率增長，從2021年的321億美元增長到2027年的572億美元。而封裝的各個細分類別中，尤以2.5D/3D封裝市場的年復合增長率最大，從2021年的67億美元增加到2027年的147億美元，高達14.34%。

不僅僅是芯片制造過程的最后一步，封裝正在成為芯片創(chuàng)新的催化劑。3D封裝技術允許將不同的芯片如CPU、加速器、內存、IO、電源管理等像樂高積木一樣拼湊起來，其主要優(yōu)勢是能實現(xiàn)更好的互連能效，減少訪問延遲。例如3D封裝技術允許在計算核心附近放置更多的內存，因此可以減少總的布線長度，提高內存訪問帶寬，改善延遲，提升CPU性能，也因此大大提高了產(chǎn)品級性能、功耗和面積，同時實現(xiàn)對系統(tǒng)架構的全面、重新思考。

如今，3D封裝已成為行業(yè)頂尖的芯片企業(yè)如英特爾、AMD、NVIDIA、蘋果等致勝的關鍵技術之一。雖然以3D IC為代表的異構封裝已經(jīng)成為未來的重點發(fā)展方向，但落實新技術要面對不少棘手的問題。相比傳統(tǒng)的封裝技術，2.5D/3D IC異構封裝不僅僅是封裝廠技術的革新，更為原有的設計流程、設計工具、仿真工具等帶來挑戰(zhàn)。

首先，在進行2.5D/3D堆疊之后由于集成度的大幅度提升，發(fā)熱量變得更為集中，散熱是一大問題；其次，在芯片、中介層、基板膨脹、冷縮的過程中，需要保障機械應力的可靠性；再者, 芯片之間的高頻信號，需要滿足時序、信號完整性要求等問題；最后，芯片堆疊完成后，還需要測試上層芯片是否能正常工作，接線是否良好，堆疊過程中沒有被損壞等等。這些都是3D封裝需要面對的難題和挑戰(zhàn)。


3D封裝是全產(chǎn)業(yè)鏈共同配合的大業(yè)

因此，在這樣的背景下，3D封裝就需要供應鏈多個環(huán)節(jié)的支持，包括代工廠、封裝廠、EDA廠商、材料廠商等等。

在3D封裝方面，臺積電、三星和英特爾這樣的晶圓代工廠是中流砥柱。臺積電的“3D Fabric”、英特爾的“Foveros”以及三星的“X-cube”是三大代表的3D封裝技術品牌。根據(jù)市場研究公司 Yole Development 的數(shù)據(jù)，在2022年先進封裝的投資排名中，英特爾和臺積電分別占2022年全球先進封裝投資的32%和27%，三星電子排名第四（第三是日月光）。

熟悉臺積電的都知道，臺積電將其SoIC(系統(tǒng)整合芯片)、InFO(整合型扇出封裝技術)、CoWoS(基板上晶圓上芯片封裝) 等2.5D和3D先進封裝與芯片堆棧技術整合成為了“3D Fabric”品牌。據(jù)臺積電2022Q2財報說明會，目前臺積電為HPC應用開發(fā)的3DIC、SoIC技術已經(jīng)大部分開始被客戶采用，臺積電還在日本成立了3DIC中心，并于今年6月份舉行了開幕儀式。

英特爾已將Foveros 3D封裝技術用于其Ponte Vecchio和Rialto Bridge GPU 以及 Agilex FPGA中，英特爾表示，采用 3D Foveros 封裝生產(chǎn)的芯片與標準單片（單芯片）芯片設計相比，在某些情況下具有極強的價格競爭力。英特爾于2021年5月宣布將斥資35億美元用于新墨西哥Foveros晶圓廠。

三星在3D封裝方面的核心競爭力來自于TSV和 PoP技術。2022年6月，三星成立半導體封裝工作組，顯示了三星對包括3D封裝在內的先進封裝的看重。

除了代工廠，傳統(tǒng)的封裝廠商也在積極向3D封裝技術過渡。封測龍頭日月光是較具實力的一員。2022年6月封測龍頭日月光推出VIPack 3D先進封裝平臺，它是由六大核心封裝技術組成，包括日月光基于高密度RDL 的Fan Out Package-on-Package (FOPoP)、Fan Out Chip-on-Substrate (FOCoS)、Fan Out Chip-on-Substrate-Bridge (FOCoS-Bridge) 和Fan Out System-in-Package (FOSiP)，以及基于硅通孔(TSV) 的2.5D/3D IC 和Co-Packaged Optics。其他封測廠如安靠、長電科技、通富微電等也在3D封裝領域蓄力。

此外，要制造3D芯片，需要在制造設備和原材料領域出現(xiàn)新的技術創(chuàng)新。關鍵的重要材料之一是用于多枚芯片連接的ABF載板。ABF載板是IC載板中的一種，ABF載板可做線路較細、適合高腳數(shù)高訊息傳輸?shù)腎C，具有較高的運算性能，主要用于CPU、GPU、FPGA、ASIC等高運算性能芯片。近幾年如Chiplet等技術的發(fā)展進步，對ABF載板的需求加大，另外也存在如何提高連接速度、改善散熱性和成本削減等課題。目前包括欣興、景碩、南電、Ibiden、Shinko、AT&S等主要ABF載板供應商都進行了一定的擴產(chǎn)。

IC載板是一種介于IC半導體及PCB之間的產(chǎn)品，作為芯片與電路板之間連接的橋梁，可以保護電路完整，同時建立有效的散熱途徑。

但是3D IC封裝所面臨的難題，有時候單靠制造端是解決不了的，需要在芯片設計的一開始就提前規(guī)劃。3D IC封裝將不僅僅是“封裝”一個環(huán)節(jié)的事情，其更多體現(xiàn)在芯片和封裝的協(xié)同配合。

3D IC封裝最根本的挑戰(zhàn)來自于應用工具數(shù)據(jù)庫的轉變。芯片通用的GDS格式與PCB使用的Gerber格式有著根本上的差別，需要重新整合解決方案，以滿足先進封裝要求。此外，規(guī)模增長帶來的復雜性也是需要重點關注的問題。在做多晶粒(multi-die)時，面對日益龐大的系統(tǒng)，需要考慮能否承擔并驗證。還有一個值得注意的就是設計規(guī)劃，將多個芯片怎樣連接起來，用哪些工具去規(guī)劃，哪個文檔是正式“黃金參考”版本，都是需要事先確立的。只有確立了規(guī)劃，才能夠進行后續(xù)的設計、驗證。此時就凸顯出EDA工具的重要性。

而這些正是西門子EDA這樣的EDA廠商的價值所在，西門子EDA有一套成熟的端到端的EDA解決方案，結合其Xpedition, HyperLynx和Calibre技術，實現(xiàn)了快速有效的設計至GDS 簽核。例如，在芯片仿真驗證階段，結合西門子HyperLynx和Calibre系列工具，可以處理die、package和PCB仿真的協(xié)同問題，而不再是專注于單一設計領域；在芯片封裝設計布局階段，西門子Xpedition Package Designer提供高效能的先進封裝技術支持，以及智能布局功能，能提升封裝設計布局效率并縮短布局時間；在測試階段西門子EDA Tessent 工具平臺基于工業(yè)分析，為3D IC提供集成并且流暢的EDA解決方案，通過靈活而完備的測試組合，實現(xiàn)提高測試覆蓋率、降低測試成本、追蹤良率問題的目標。

與此同時，EDA廠商與代工廠和封裝廠的協(xié)同合作也愈發(fā)重要。在這方面，西門子EDA已與臺積電、三星以及日月光等積極展開合作，為他們提供生態(tài)上的支持。


先進封裝為封測市場帶來核心增量

天風證券潘暕在4月7日的研報中表示，后摩爾時代，芯片性能提升難度增加，產(chǎn)生較大算力缺口，Chiplet通過同構擴展提升晶體管數(shù)量或異構集成大算力芯片兩大方案助力算力成倍&指數(shù)級提升，滿足ChatGPT大數(shù)據(jù)+大模型+大算力需求。先進封裝技術是Chiplet實施的基礎和前提，將成為封測行業(yè)未來主要增量。

據(jù)Frost & Sullivan數(shù)據(jù)預測，中國大陸封測市場2021-2025E CAGR 約為7.5%，2025年市場規(guī)模將達到3552億元，占全球封測市場約為75.6%。其中，中國大陸先進封裝市場增長迅速，2021-2025E CAGR約為29.9%，預計2025年中國先進封裝市場規(guī)模為1137億元，占比中國大陸封裝市場約為32.0%。

先進封裝主要包括扇出晶圓級封裝（FO）、晶圓片級芯片規(guī)模封裝（WLCSP）、2.5D/3D封裝和系統(tǒng)級封裝（SiP）等，可以在增強芯片性能效用的同時降低成本、保證良率，是后摩爾時代芯片發(fā)展的核心技術之一。在Chiplet的系統(tǒng)級架構設計下，通過2.5D/3D堆疊等先進封裝技術，使用10nm工藝制造出來的芯片可以達到7nm芯片的集成度，同時研發(fā)投入和一次性生產(chǎn)投入則比7nm芯片的投入要少的多。

浙商證券蔣高振在2月3日的研報中表示，現(xiàn)階段，我國尚未突破先進制程的瓶頸，通過Chiplet技術，可以嘗試通過成熟制程結合Chiplet技術，實現(xiàn)部分先進制程下的性能，為國內芯片制造業(yè)提供彎道超車機會。

在測試領域，東莞證券劉夢麟在3月28日的研報中表示，相比SoC封裝，Chiplet方案涉及大量裸芯片，封測過程需要將每一個單獨的Chiplet die進行CP測試，否則任意一die失效都會使整個封裝失效，提高成本代價。Chiplet測試量的增加將充分帶動芯片測試需求量增長。