發(fā)展方興未艾的先進封裝技術

以《戰(zhàn)略緒論》一書聞名的近代法國戰(zhàn)略大師薄富爾曾說：「戰(zhàn)略的要義是『預防』而非『治療』，『未來和準備』比『現(xiàn)在和執(zhí)行』更重要?！?a target="_blank">半導體業(yè)界亦同，當摩爾定律所預言的制程微縮曲線開始鈍化，將不同制程性質的芯片，透過多芯片封裝包在一起，以最短的時程推出符合市場需求的產(chǎn)品，就成為重要性持續(xù)水漲船高的技術顯學。 而這些先進芯片封裝也成為超級電腦和人工智能的必備武器。別的不提，光論nVidia 和AMD 的高效能運算專用GPU、Google 第二代TPU、無數(shù)「人工智能芯片」，就處處可見HBM 記憶體的存在。

畢竟天底下沒有面面俱到的半導體制程，觀察到先進制程晶圓廠每隔4 年成本倍增的「摩爾第二定律」，也突顯了電晶體單位成本越來越高的殘酷現(xiàn)實。AMD 處理器從7 納米制程開始全面性「Chiplet 化」，將7 納米制程的CPU 核心和12 納米制程的I/O 記憶體控制器分而治之，實乃不得不然。

發(fā)展方興未艾的先進封裝技術

也因此，無論臺積電還是英特爾，無不拼命加碼，相關產(chǎn)品也如雨后春筍一個個冒出頭來，而AMD 更在未來產(chǎn)品計畫，大剌剌寫著「融合2.5D 與3D 的X3D 封裝」（雖然大概也是直接沿用臺積電的現(xiàn)有技術），以達成超過時下產(chǎn)品十倍的記憶體頻寬密度。

稍微替各位復習一下什么是「2.5D」封裝，臺積電擁有超過60 個實際導入案例的CoWos（Chip-on-Wafer-on-Substrate）算是這領域最為知名的技術，包含近期奪下超級電腦Top500 榜首的Fujitsu A64FX。英特爾用自家EMIB（Embedded Multi-Die Interconnect Bridge）將Kaby Lake 處理器與AMD Vega 繪圖核心「送作堆」的Kaby Lake-G，也曾是轟動一時的熱門話題。

有別于「2D」的SiP（System-in-Package），2.5D 封裝在SiP 基板和芯片之間，插入了矽中介層（Silicon Interposer），透過矽穿孔（TSV，Through-Silicon Via）連接上下的金屬層，克服SiP 基板（像多層走線印刷電路板）難以實做高密度布線而限制芯片數(shù)量的困難。

「疊疊樂」的3D 封裝就不難理解了，臺積電就靠著可減少30% 的封裝厚度InFO（Integrated Fan-Out），在iPhone 7 的A10 處理器訂單爭奪戰(zhàn)擊敗三星，終結了消費者購買iPhone 6S 還得擔心拿到三星版A9 的尷尬處境（筆者不幸曾是受害者之一）。但3D 封裝的散熱手段與熱量管理，也是明擺在半導體產(chǎn)業(yè)界的艱巨挑戰(zhàn)。

英特爾相對應的3D 封裝技術則為Foveros。最近正式發(fā)表、代號Lakefield 的「混合式x86 架構處理器」，堆疊了「1 大4 小核心」的10 納米制程（代號P1274）運算芯片、22 納米制程（代號P1222）系統(tǒng)I/O 芯片和PoP（Package-on-Package）封裝的記憶體，待機耗電量僅2mW。

英特爾2019 年7 月公布的Co-EMIB，用2.5D 的EMIB 連接多個3D 的Foveros 封裝，「整合成具備更多功能」的單一芯片。為EMIB 概念延伸的ODI（Omni-Directional Interconnect）則用來填補EMIB 與Foveros 之間的鴻溝，為封裝內(nèi)眾多裸晶連接提供更高靈活性，細節(jié)在此不論。

連接封裝內(nèi)多顆裸晶之間的匯流排也是不可或缺的技術。 英特爾在2017 年將EMIB 連接裸晶的「矽橋」（Silicon Bridge）正式命名為「先進介面匯流排」（AIB，Advanced Interface Bus）并公開免費授權，2018 年將AIB 捐贈給美國國防先進研究計劃署（DARPA），當作免專利費的裸晶互連標準，MDIO（Multi-Die I/O）則是AIB 的下一代。臺積電相對應技術則為LIPINCON（Low-voltage-INPackage-INterCONnect），規(guī)格與英特爾互有長短。

超級電腦用的系統(tǒng)單芯片并非IBM 和Fujitsu 的專利

長期關心ARM 指令集相容處理器與超級電腦的讀者，想必對先前采用Fujitsu A64FX 處理器打造的日本理化學研究所的「富岳」并不陌生。這顆臺積電7 納米制程并CoWoS 2.5D 封裝4 顆8GB HBM2 記憶體的產(chǎn)物，堪稱當代最具代表性的「超級電腦專用系統(tǒng)單芯片」，讓人不得不想起十幾年前的IBM BlueGene /L。

曾在21 世紀初期靠著「地球模擬器」（Earth Simulator）獨領風騷兩年多的NEC，其SX 向量處理器的最新成員SX-Aurora TSUBASA，也是臺積電16 納米制程、2.5D 封裝6 顆8GB HBM2 記憶體的超級電腦心臟。

而英特爾的Xeon Phi 系列更是知名代表，透過2.5D 封裝包了8 顆2GB MCDRAM（Multi-Channel DRAM），可設定為快取記憶體、主記憶體或混合兩者之用。雖然Xeon Phi 家族兩年前慘遭腰斬，中斷自從Larrabee 以來的「超級多核心x86」路線，英特爾決定整個砍掉重練，一步一腳印重頭打造「傳統(tǒng)GPU」當作未來高效能運算與人工智能應用的基礎，但異質多芯片封裝的重要性仍不減反增，最起碼被英特爾從AMD 挖角、主導GPU 發(fā)展的Raja Koduri，自己是這樣講的，也沒什么懷疑的空間。

不過AMD 也并未缺席，并看似有后來居上的氣勢，而且這并非突發(fā)奇想，早在2010 年之前，就開始進行長期研究，至今超過十年，并「很有可能」以EHP（Exascale Heterogenous Processor）之名開花結果，融合2.5D 與3D 封裝的X3D 則是達成EHP 的關鍵。

Exa 意指Peta 的1 千倍，也是近年來超級電腦的下一個競爭指標，像預定采用AMD Zen 2 世代EPYC 處理器的美國國家核能安全管理局El Capitan 超級電腦，理論運算效能就超過2ExaFlops。

AMD 自從2007 年購并ATI 之后，整合處理器與繪圖核心的APU 之路，一直走得相當掙扎，遲遲難以找到適合的產(chǎn)品規(guī)格與市場定位，不是CPU 不夠好、GPU 不夠強、就是兩者都不上不下，到了Zen 2 世代才算脫胎換骨。 這些年來，AMD 在超級電腦市場逐漸邊緣化，今年6 月的Top500 只剩下10 臺AMD CPU 和一臺AMD GPU，更需要強力的新兵器，才能「突破英特爾和nVidia 的封鎖」。身為「超級電腦APU」的EHP 就成為AMD 默默進行的新方向。

以加拿大ATI身分在2010年申請「藉由假矽穿孔替3D封裝進行導熱」（Dummy TSV To Improve Process Uniformity and Heat Dissipation）專利為起點，AMD一路累積了「記憶體運算的快取資料一致性」 （2016年）、「3D晶粒堆疊的熱量管理」（2017年）、「擁有極致頻寬與可延展性能耗比的GPU架構」（2017年）、「記憶體內(nèi)運算的陣列」（2018年） 、「回圈脫離預測（2018年）以改善閑置模式的效率」到「混合CPU與GPU的動態(tài)記憶體管理」（2018年）等成果，確定了AMD在2015年的財務分析師大會透露的「伺服器專用APU」與當年7月IEEE Micro發(fā)表的「藉由異質運算實現(xiàn)百億億級運算」（Achieving Exascale Capabilities through Heterogeneous Computing）計畫并不是玩假的，更何況現(xiàn)在AMD當家作主的還是一位以務實聞名的全球薪酬最高女性執(zhí)行長。

根據(jù)已公開的資料，EHP 概略規(guī)格如下，但后面勢必將隨著技術演進而有更動：

32 個CPU 核心（當時是8 顆4 核心CCD）。

8 顆32 個GPU CU，總計256 CU 與16,384 個串流處理器（那時預定是GCN 第五代的Vega，看來將會推進到CDNA）。

8 塊4GB HBM2 記憶體堆疊。

時脈1GHz 時，雙倍浮點精確度理論效能為16TeraFlops，如十萬顆組成超級電腦，就是1.6ExaFlops，預估耗電量為20MW。

AMD 在2015 年7 月IEEE Micro 專文，表示32 個CPU 核心、320 個時脈1GHz 的GPU CU（20,480 個串流處理器）、3TB/s 記憶體頻寬、160W 功耗，是能耗比最好的組態(tài)，總之實際的產(chǎn)品一定會變。

EHP 和X3D 的技術資產(chǎn)會「推己及人」到Zen 3 世代EPYC 處理器「Milan」的可怕傳言（像10 顆CCD 湊80 核心或塞HBM2 當L4 之類的），一直沒有停過。

EHP 也有配置芯片封裝以外的外部記憶體，像斷電后資料不會消失的NVRAM（Non-Volatile RAM，如英特爾／Micro 的3D Xpoint 和發(fā)展中SST-MRAM 等）和「記憶體內(nèi)運算」的PIM （Processing-In-Memory，記憶體內(nèi)建位元運算電路），相關的動態(tài)記憶體管理與快取資料一致性，也是AMD 需要克服的技術門檻，至于軟體環(huán)境的完備性，更將是AMD 能否追上nVidia 的最核心因素。

同場加映：nVidia 也沒吃飽閑著

近來因「光明的未來前瞻性」而讓公司市值一舉超越英特爾的nVidia，在高效能運算、人工智能與自駕車等領域的優(yōu)勢地位幾乎是牢不可破。除了帳面硬體規(guī)格，發(fā)展了十多年的CUDA 應用環(huán)境生態(tài)、遠遠超越英特爾和AMD 的GPU 虛擬化（這讓客戶使用AMD GPU 部署云端個人電腦的效益會明顯不如nVidia，云端服務業(yè)者的虛擬GPU 亦同，比較一下可負荷用戶端數(shù)量，就知道差別有多大了）和更多「不足外人道也」之處，才是支撐nVidia 股價的真正根基。 將話題拉回多芯片封裝這件事，就算不論以「訓練」為主的高階GPU，nVidia 連「推論」用的芯片研究案都走向「多芯片封裝延展性」。

但各位有沒有想過一個更有趣的可能性：既然nVidia 高階GPU 都這么大顆，干么不干脆「順便」包一顆高效能的ARM（或RISC-V）指令集相容處理器，不再是英特爾、AMD 處理器的「附屬品」，讓GPU 變身成「可自行開機的超級電腦系統(tǒng)單芯片」？ 事實上，nVidia GPU 內(nèi)本來就有內(nèi)建好幾顆簡稱為Falcon（Fast Logic Controller）的微控制器，用來輔助GPU 運算處理，像支援影像圖形解碼到安全性機制，或減輕CPU 執(zhí)行驅動程式的負擔，如以前因為Windows 作業(yè)系統(tǒng)的延遲程序呼叫（DPC，Deferred Procedure Call）會逾時而不能進行的排程等。 2016 年，nVidia 先采用柏克萊大學的開源RISC-V 指令集相容處理器Rocket，開發(fā)出第一代Falcon 微控制器，2017 年第二代產(chǎn)品擴展到64 位元，并自行新增自定義的新指令。前述由27 顆封裝而成的RC18 推論芯片，也是RISC-V 核心，每秒可執(zhí)行128 兆次推論，功耗僅13.5W。 那么未來，假如nVidia 將「更多的工作」搬到GPU 內(nèi)的RISC-V 核心，特別是驅動程式涉及大量GPU 底層機密資訊的「下面那一層」丟過去，或經(jīng)由GPU 虛擬化掩蓋起來，又會發(fā)生什么事？這件牽扯到另一個少人知悉的潛在需求了：來自官方的開源驅動程式。

弦外之音：GPU 驅動程式開源的沖擊

臺面上看不到或少人著墨的議題，舉足輕重的程度往往遠超乎看熱鬧外行人的想像。 無論超級電腦還是人工智能（尤其是人命關天的自動駕駛），基于安全性考量，芯片廠商的客戶或多或少都希望檢視所有程式碼，理所當然包含驅動程式，這就是GPU 驅動程式開源之所以如此重要的主因。但偏偏這又是暗藏大量商業(yè)機密的黑盒子，要如何滿足客戶需求又不讓機密外泄，大方釋出「官方開源驅動程式」，就是nVidia、AMD 甚至即將「GPU 戰(zhàn)線復歸」的英特爾，已經(jīng)面對很久的機會與挑戰(zhàn)。 技術的發(fā)展跟著應用的需求走，這恐怕也將會注定AMD 靠著「超級電腦APU」反攻高效能運算市場的企圖能否悲愿成就的鎖鑰。點到為止，剩下的就留給各位慢慢思考了。 本文轉載自：半導體行業(yè)觀察

原文標題：市場 | 芯片巨頭決戰(zhàn)先進封裝

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責任編輯：haq