降維打擊!Intel 3D立體封裝深度揭祕:前途無量
半導體行業的技術難度正呈幾何指數般的速度加大,以往很多慣用手段都開始漸漸失靈了。面對越來越難做的晶片,未來該何去何從?
最近,Intel提出了革命性的 Foveros 3D立體晶片封裝技術 ,首次為CPU處理器引入了3D堆疊式設計,堪稱產品創新的催化劑,或將成為CPU處理器歷史上一個重要的轉折點。
它允許在新的裝置外形中“混搭”(mix and match) 不同工藝、架構、用途的技術 IP 模組、各種記憶體和 I/O 元件,使得產品能夠分解成更小的組合,同時將之前分散、獨立的不同模組結合為一體,以滿足不同應用、功耗範圍、外形尺寸的設計需求,以更低的成本實現更高的或者更適宜的效能。
其實在此之前,Intel曾經應用過一種2D整合技術“EMIB”(嵌入式多晶片互連橋接),把不同工藝、功能的IP模組整合到單一封裝中,相比傳統2D單片設計更有利於提高良品率、提升整體效能、降低成本、加快產品上市速度,典型產品代表就是集成了Intel八代酷睿CPU、AMD Vega GPU圖形核心的Kaby Lake-G系列。
Foveros則進化到了3D整合,延續2D整合各種優勢的同時,加上全新水平的整合密度和靈活性,首次讓邏輯晶片可以堆疊在一起,徹底顛覆並重新構建了系統晶片架構。
套用劉慈欣科幻大作《三體》裡的一個流行梗,可以說Intel站在3D的角度上,對傳統2D晶片發動了一場“降維打擊”。
在Intel提供的Foveros 3D堆疊封裝示意圖上,可以清楚地看到這種蓋樓式設計的巧妙之處:
最底部的封裝基板之上,是核心的基礎計算晶片,再往上可以堆疊計算、視覺等各種模組,高效能邏輯、低功耗邏輯、高密度記憶體、高速記憶體、感測器、功率調節器、無線電、光電子等等就看你需要什麼了,無論是Intel IP還是第三方IP都可以和諧共處,客戶完全可以根據需要自由定製。
這是從側視角度展示的Foveros 3D封裝的結構示意圖:最下邊是封裝基底,之上安放一個底層晶片(Bottom Chip),起到主動中介層(Active Interposer)的作用——AMD Fiji/Vega核心整合封裝HBM視訊記憶體就有類似的存在。
中介層之上就可以放置各種不同的新品或模組,比如CPU、GPU、記憶體、基帶……
而在中介層裡有大量的TSV 3D矽穿孔,負責聯通上下的焊料凸起(Solder Bump),讓上層晶片和模組與系統其他部分通訊。
當然,如何處理不同模組之間的高速互連,確保整體效能、功耗等都處於最佳水平,無疑是非常考驗設計能力和技術實力的,TSV矽穿孔、分立式積體電路就是其中的關鍵所在。
Intel表示,不同用途晶片或者功能模組對電晶體密度的需求是截然不同的,效能、功耗、成本也相差很大,因此所有晶片模組都使用同一種工藝不會達到最佳效果,尤其是新工藝越來越難,都硬上新工藝不值得,也越來越不容易做到。
Intel還強調, 3D封裝不一定會降低成本,但重點也不在於成本,而是如何把最合適的IP放在最合適的位置上,進行混搭,這才是真正的驅動力。
Foveros 3D封裝技術將從2019年下半年開始,陸續出現在一系列產品中,未來也會成為Intel晶片設計的重要根基。
首款產品代號為“Lakefield”,也是全球第一款混合CPU架構產品。Intel同時展示了基於該處理器的小型參考主機板,稱其可以靈活地滿足OEM各種創新的裝置外形設計。
Lakefield將會結合高效能的10nm運算堆疊小晶片、低功耗的22nm FFL基礎矽片,首次展示的參考設計示例中,就集成了CPU處理器、GPU核心顯示卡、記憶體控制器、影象處理單元、顯示引擎,以及各種各樣的I/O輸入輸出、除錯和控制模組。
作為混合x86架構產品,它擁有 一個10nm工藝的高效能Sunny Cove CPU核心(Ice Lake處理器就用它),以及四個10nm工藝的低功耗Atom CPU核心 ,二者既有自己的獨立快取,也共享末級快取,同時 核芯顯示卡也和Ice Lake一樣進化到第11代,不但有多達64個執行單元,功耗也控制得非常低。
除了規格設計上的先進,更讓人激動和期待的是它的超小體積和超低功耗。
這顆小晶片的長寬尺寸只有12×12毫米,高度僅僅1毫米,還沒一枚硬幣大,但內部3D堆疊封裝了多個模組。
基底之上是P1222 22FFL(22nm工一種)工藝的IO晶片,低成本、低漏電。
之上是P1274 10nm工藝計算晶片,也就是傳統CPU,內部整合了一個Sunny Core高效能核心、四個Atom低功耗核心(或許是Tremont新架構)。
再往上甚至還有PoP整合封裝的記憶體晶片。
Intel宣稱,它的待機功耗只有區區2mW,也就是0.002W,最高功耗也不超過7W,很顯然是針對移動平臺的,而且不需要風扇,可用於11寸以下行動式小型裝置。
晶片設計從2D平鋪轉向3D堆疊,這就為裝置和系統結合使用高效能、高密度和低功耗晶片製程技術奠定了堅實的基礎,也為半導體行業的發展和突破打開了一扇新的大門,有了更多的新思路可以探索。
Foveros 3D封裝技術的提出,充分說明Intel已經找準了未來晶片設計的新方向,不再拘泥於傳統框架,可以更加靈活地設計效能更強、功能更豐富、功耗更低、用途更靈活的不同產品,滿足差異化裝置和市場需求。
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