先進封裝已經成為推動處理器性能提升的主要動力

在之前舉辦的Computex上，AMD發(fā)布了其實驗性的產品，即基于3D Chiplet技術的3D V-Cache。該技術使用臺積電的3D Fabric先進封裝技術，成功地將包含有64MB L3 Cache的chiplet以3D堆疊的形式與處理器封裝在了一起。

在AMD展示的概念芯片中，處理器芯片是Ryzen 5000，其原本的處理器Chiplet中就帶有32 MB L3 Cache，而在和64 MB的3D V-Cache做3D封裝后，每個Ryzen 5000 Chiplet可以訪問總共96 MB的L3 Cache。而在每個包含多個Ryzen 5000 Chiplet的處理器中，則最多可以訪問高達192MB的L3 Cache。

先進封裝已經成為推動處理器性能提升的主要動力

隨著半導體工藝節(jié)點越來越接近物理極限，每一代半導體工藝節(jié)點提升對于芯片性能帶來的收益也越來越小，通常在15%左右。而在AMD發(fā)布的帶有3D V-Cache的處理器則在工藝不變（仍然使用7nm臺積電工藝）的情況下，在3D游戲等對于處理器性能有高需求的應用場景中實現(xiàn)了約15%的性能提升。

這一點說明先進封裝在今天已經能實現(xiàn)原來需要半導體工藝節(jié)點前進整整一代才能實現(xiàn)的性能提升；而在未來隨著半導體工藝越來越接近極限，每一代工藝帶來的性能增益越來越小，先進封裝可望取代半導體工藝成為芯片性能提升的主要推動力。

而在先進封裝領域，AMD已經有了多年的積累，從2015年開始使用HBM技術，到2019年推出使用chiplet的產品，到今天推出3D chiplet，每一步都可以看見AMD對于先進封裝領域投入的決心。

在先進封裝領域，有兩條由應用驅動的技術路徑。一條的主要訴求是提升互聯(lián)密度，從而解決芯片之間的通信帶寬，其代表產品就是基于2.5D/3D高級封裝的HBM DRAM接口標準。

使用HBM可以將DRAM和處理器（CPU，GPU以及其他ASIC）之間的通信帶寬大大提升，從而緩解這些處理器的內存墻問題。目前，HBM已經成為高端GPU的標配，同時也應用于不少針對云端處理的AI芯片（例如谷歌的TPU）中。

除此之外，另一條技術路徑是chiplet，即在封裝系統(tǒng)里面不再使用少量的大芯片做集成，而是改用數(shù)量更多但是尺寸更小的芯片粒（chiplet）作為基本單位。使用chiplet的第一個優(yōu)點是提升了良率。

如果使用大芯片的話，如果在芯片的晶圓面積上出現(xiàn)瑕疵，那么整個芯片就有了瑕疵，無法作為良品使用；但是如果把同樣面積的芯片拆分為多個chiplet，那么出現(xiàn)瑕疵的話就僅僅是瑕疵出現(xiàn)的那個chiplet無法使用。

而其他chiplet則不受影響，這樣就提升了良率，而這對于良率存在挑戰(zhàn)的先進半導體工藝至關重要。Chiplet另外的潛力在于可以實現(xiàn)更靈活的異構集成，在同一封裝系統(tǒng)中不同的chiplet可以使用不同的半導體工藝實現(xiàn)，從而進一步降低成本（例如某些對于邏輯性能需求不高的模組可以使用成熟工藝）并提升性能。

而這次AMD的3D Chiplet則是把兩條先進封裝的技術路線匯合到了一起。AMD發(fā)布的3D V-Cache中，首先處理器和堆疊的L3 Cache都使用了chiplet，另外在3D V-Cache和處理器chiplet之間，也使用了先進封裝帶來的高密度互聯(lián)，其互聯(lián)密度較2D chiplet高兩百多倍。

相比傳統(tǒng)的3DIC技術也能提高15倍。我們認為，AMD將3D Chiplet投入商用對于先進封裝領域來說，將是類似HBM進入GPU這樣的里程碑式事件。

臺積電進一步鞏固在代工領域的地位

在AMD發(fā)布的3D chiplet背后，是臺積電的先進半導體工藝技術和先進封裝技術。臺積電作為同時掌握了最先進半導體工藝和封裝技術的代工廠，其全球最頂尖代工廠的地位得到了鞏固，同時其在先進技術領域也將變得更加強勢。

早在2019年的VLSI Symposium中，臺積電就發(fā)表了類似這次AMD 3D Chiplet的技術。臺積電把這個技術System on Integrated Chips（SOIC），其主要解決的就是進一步提升3D封裝中的互聯(lián)密度。

傳統(tǒng)3DIC技術的連線密度受到bump尺寸的限制，從而限制了集成總線的帶寬和互聯(lián)成本。而臺積電SoIC技術一個關鍵優(yōu)勢就是無須bump，只要將兩塊要堆疊的芯片的銅互聯(lián)做部分裸露并對準，之后即可通過熱處理工藝完成兩塊芯片的電路連接。

這樣一來，兩塊堆疊芯片之間的走線密度以及信號傳輸功耗都可以大大改善。在今年的ISSCC中，臺積電又一次展示了SOIC技術，這次臺積電為該技術商用起了一個正式的名字（3DFabric），并且公布了更多互聯(lián)密度相關的數(shù)據(jù)。

其互聯(lián)密度相比傳統(tǒng)的基于bump的3DIC技術可以提升16倍，該數(shù)據(jù)與AMD這次在Computex發(fā)布的相關數(shù)字（相比3DIC互聯(lián)密度提升15倍）也大體相符。

如前所述，隨著摩爾定律的半導體工藝節(jié)點提升接近極限，先進封裝技術將會慢慢接班半導體工藝節(jié)點而成為芯片性能提升的推動力。臺積電在擁有最先進半導體工藝的同時，也在先進封裝領域領跑全球，其在半導體代工領域的領導者地位將延續(xù)下去。

于此同時，在AMD首發(fā)基于3DFabric的產品之后，預計在未來會有更多芯片設計公司跟進使用3DFabric來實現(xiàn)高性能芯片，從而進一步推廣下一代先進封裝技術的應用。

3D Chiplet在AI時代大有作為

我們認為，類似3D Chiplet的技術在AI時代將會有廣泛應用。

目前，人工智能已經成為推動半導體行業(yè)市場收入的重要引擎?；?a href="http://ttokpm.com/tags/神經網(wǎng)絡/" target="_blank">神經網(wǎng)絡的人工智能需要強大的算力支撐其模型訓練和部署，因此高性能計算芯片在AI時代至關重要，這也是全球范圍內出現(xiàn)了不少AI芯片初創(chuàng)公司的原因。

對于AI計算來說，內存訪問已經越來越成為性能的瓶頸，因此如何提升處理器（AI芯片）與存儲器之間的內存訪問速度和效率變得越來越重要

為了解決這個問題，目前云端AI芯片使用HBM DRAM配合大容量的片上SRAM已經成為標配（例如谷歌的TPU）。HBM DRAM和大容量SRAM缺一不可，其中HBM DRAM容量大，但是存取需要較大的延遲。

因此常用來存儲系統(tǒng)調度算法中在未來可能會用到的數(shù)據(jù)；而SRAM的帶寬大于HBM，延時也較小，但是容量也遠小于DRAM，常用來存取在當前立即需要用到的數(shù)據(jù)。

在人工智能領域，隨著GPT-3這樣的巨型模型越來越多，對于DRAM和SRAM容量的需求都越來越大，而SRAM擴容目前看來最有希望的方法之一就是使用類似3D Chiplet的技術，使用3D堆疊的方式來獲得更大的容量（如這次AMD在使用3D V-Cache后SRAM容量就擴大到了三倍）。

因此我們認為隨著臺積電的3DFabric技術進一步成熟，AI芯片很可能是下一個使用該技術的產品，并且隨著人工智能市場越來越大，AI芯片也將進一步將3D Chiplet帶向主流，同時使用HBM加3D Chiplet技術的芯片產品將會進入更多產品中獲得使用。

編輯：jq