英特爾院士Johanna Swan：極致的異構(gòu)集成是半導(dǎo)體封裝未來(lái)趨勢(shì)

“先進(jìn)封裝”是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)近年來(lái)的熱詞之一，也掀起了封裝技術(shù)發(fā)展史上的第三次技術(shù)躍進(jìn)。有人對(duì)它有一個(gè)形象比喻“攤大餅不行了，做一下千層餅試試吧”。 為什么這么說(shuō)？以2.5D、3D封裝為代表的、結(jié)合了芯片堆疊和異構(gòu)封裝等技術(shù)的先進(jìn)封裝，正在為摩爾定律指揮棒下的芯片實(shí)現(xiàn)爭(zhēng)取更優(yōu)方案。<與非網(wǎng)>對(duì)話英特爾院士/封裝研究與系統(tǒng)解決方案總監(jiān)Johanna Swan，就先進(jìn)封裝的關(guān)鍵技術(shù)、發(fā)展方向等問(wèn)題進(jìn)行了深入交流。

為什么需要先進(jìn)封裝？

多年來(lái)，業(yè)界并沒(méi)有在先進(jìn)封裝上投入太多精力，但近年來(lái)情況發(fā)生了變化。Johanna Swan指出，由于先進(jìn)封裝技術(shù)能夠集成多種制程工藝的計(jì)算引擎，實(shí)現(xiàn)類(lèi)似于單晶片的性能，但其平臺(tái)范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)單晶片集成的晶片尺寸限制。這些技術(shù)將大大提高產(chǎn)品級(jí)性能和功效，縮小面積，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行全面改造。正因如此，先進(jìn)封裝成為各公司打造差異化優(yōu)勢(shì)的一個(gè)重要領(lǐng)域，以及提升性能、提高功率、縮小外形尺寸和提高帶寬的機(jī)會(huì)。

從Intel 的先進(jìn)封裝技術(shù)路線圖可以看出，三大維度是未來(lái)方向：X軸代表功率效率，Y軸代表互連密度，Z軸代表可擴(kuò)展性。

多區(qū)塊異構(gòu)集成提升功率效率

Johanna Swan介紹，單獨(dú)IP的異構(gòu)集成能夠帶來(lái)更大量的更小區(qū)塊，它們可以大量重復(fù)使用，開(kāi)發(fā)時(shí)間從單片式集成SoC的3-4年、多晶片2-3年縮短至1年，并且芯片缺陷率進(jìn)一步降低。這樣一來(lái)，便于根據(jù)客戶(hù)的獨(dú)特需求定制產(chǎn)品，滿(mǎn)足產(chǎn)品快速的上市需求。

多區(qū)塊異構(gòu)集成能夠解決芯片設(shè)計(jì)和制造的諸多限制，但與此同時(shí)，它所帶來(lái)的影響也是深遠(yuǎn)的，主要體現(xiàn)在兩方面：一是晶片間互連的微縮從焊接轉(zhuǎn)到混合結(jié)合（Hybrid Bonding），二是大量區(qū)塊轉(zhuǎn)變到按批次組裝的精確放置，這樣又帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。

大量區(qū)塊如何保持制造流程以相同的速度進(jìn)行？有更多的晶片需要放置，能否在一次只放置一個(gè)晶片的基礎(chǔ)上加快速度？英特爾正在考慮的解決方案是批量組裝/自組裝。

目前，英特爾正在與法國(guó)原子能委員會(huì)電子與信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)室（CEA-LETI）合作，研究一次放置多個(gè)晶片，進(jìn)行確定性對(duì)齊，并使用超小的晶片，進(jìn)行快速放置，通過(guò)批次組裝，實(shí)現(xiàn)拾取更多、并放置更多晶片。Johanna Swan通過(guò)一個(gè)視頻介紹了自組裝的大概機(jī)制：把晶片放在一個(gè)能夠?qū)⒆陨砘謴?fù)到最低能量狀態(tài)的位置，這時(shí)就不需要設(shè)備，只需要讓它足夠接近、試圖達(dá)到最低限度的能量狀態(tài)時(shí)，就會(huì)自己組裝、放置到位。在英特爾的封裝技術(shù)路線圖中，最新增加了混合結(jié)合自組裝研究為未來(lái)的方向。

為異構(gòu)計(jì)算而生的混合結(jié)合技術(shù)

在英特爾的封裝技術(shù)路線中，混合結(jié)合是一種在相互堆疊的芯片間獲得更密集互連的方法，并且能夠幫助實(shí)現(xiàn)更小的外形尺寸。

當(dāng)前的Foveros技術(shù)能實(shí)現(xiàn)的是凸點(diǎn)間距 50 微米，這將使每平方毫米有大約 400 個(gè)凸點(diǎn)。 由于面積隨著凸點(diǎn)間距在微縮，未來(lái)，英特爾希望能縮減到大約 10 微米的凸點(diǎn)間距，達(dá)到每平方毫米 10000 個(gè)凸點(diǎn)。 這樣，就可以實(shí)現(xiàn)更小、更簡(jiǎn)單的電路，更低的電容和功耗，實(shí)際上可以進(jìn)行相互疊加，不必做扇入（fan-in）和扇出(fan-out)。

Johanna Swan表示，混合結(jié)合可以說(shuō)是為異構(gòu)計(jì)算而生的，主要有兩大原因：第一，大多數(shù)封裝技術(shù)中使用的是傳統(tǒng)的“熱壓結(jié)合（thermocompression bonding）”技術(shù)，而混合結(jié)合技術(shù)是這一技術(shù)的替代品。這項(xiàng)新技術(shù)能夠加速實(shí)現(xiàn)10微米及以下的凸點(diǎn)間距，提供更高的互連密度、帶寬和更低的功率。

第二，先進(jìn)的處理系統(tǒng)需要高帶寬和子系統(tǒng)（處理器、片上網(wǎng)絡(luò)和處理元件）之間的低功耗互連。傳統(tǒng)上，這些子系統(tǒng)都是單片集成在一個(gè)芯片上。隨著異構(gòu)集成技術(shù)的發(fā)展，單片集成已經(jīng)不再適用。擴(kuò)大芯片之間的互連間距對(duì)于異構(gòu)計(jì)算的發(fā)展非常重要，而混合結(jié)合技術(shù)就是解決這一問(wèn)題的重要技術(shù)之一。

混合結(jié)合技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于諸如像圖像傳感器和非易失性存儲(chǔ)器等應(yīng)用，目前，它的商業(yè)應(yīng)用還局限于晶圓與晶圓之間的結(jié)合，并且只能在低能耗的系統(tǒng)中。未來(lái)，混合結(jié)合會(huì)擴(kuò)展到晶片與晶圓的應(yīng)用中，以支持計(jì)算chiplet、內(nèi)存chiplet的靈活異構(gòu)集成，以及未來(lái)更高能耗的系統(tǒng)中。

Johanna Swan強(qiáng)調(diào)，定制將是下一階段異構(gòu)集成的重要驅(qū)動(dòng)力。通過(guò)將更多不同的節(jié)點(diǎn)或 IP 組合，在不同的制程或節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行集成，通過(guò)這種混合搭配，可以為特定客戶(hù)進(jìn)行深度定制。

可擴(kuò)展性是先進(jìn)封裝的重要維度

可擴(kuò)展性是英特爾先進(jìn)封裝路線的又一個(gè)維度，在這個(gè)維度上，ODI和CO-EMIB是兩大關(guān)鍵技術(shù)。

英特爾構(gòu)建高密度MCP的關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)包括EMIB、Foveros和Co-EMIB。其中，EMIB（嵌入式多芯片互連橋接）2D封裝和Foveros 3D封裝技術(shù)利用高密度的互連技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)高帶寬、低功耗，并實(shí)現(xiàn)相當(dāng)有競(jìng)爭(zhēng)力的I/O密度。Co-EMIB則融合了2D和3D，將更高的計(jì)算性能和能力連接起來(lái)，基本達(dá)到單晶片性能。

FOVEROS技術(shù)前文已提到過(guò)，它作為當(dāng)前的混合結(jié)合技術(shù)方式，能夠?yàn)槊芏雀叩拇怪被ミB實(shí)現(xiàn)更小的尺寸。

那么，ODI又是什么技術(shù)呢？它是英特爾全新的全方位的互連技術(shù)，能夠?yàn)榉庋b中小芯片之間的全方位互連通信提供靈活性。頂部芯片可以像EMIB技術(shù)下與其他小芯片進(jìn)行水平通信；同時(shí)還可以像Foveros技術(shù)下，通過(guò)硅通孔（TSV）與下面的底部裸片進(jìn)行垂直通信。這種方法減少了基底晶片中所需的硅通孔數(shù)量，為有源晶體管釋放了更多的面積，并優(yōu)化了裸片的尺寸。

極致的異構(gòu)集成是半導(dǎo)體封裝未來(lái)趨勢(shì)

談到先進(jìn)封裝，小芯片Chiplet是一個(gè)必須要探討的話題。Johanna Swan認(rèn)為，小芯片最重要的事情是它能夠幫助我們獲得越來(lái)越小的IP。一旦擁有較小的 IP，它就可以混合在眾多產(chǎn)品中，這可以具有非常高的重用水平，可以根據(jù)放入封裝中的產(chǎn)品進(jìn)行深度定制。

而定制將是實(shí)現(xiàn)下一階段異構(gòu)集成的驅(qū)動(dòng)力，通過(guò)將更多不同的節(jié)點(diǎn)或 IP 組合，在不同的制程或節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行集成， 通過(guò)這種混合搭配，可以為特定客戶(hù)進(jìn)行深度定制。

她強(qiáng)調(diào)，極致的異構(gòu)集成是方向，也是封裝技術(shù)的未來(lái)趨勢(shì)。封裝技術(shù)將繼續(xù)具有縮小尺寸的特征，能夠?qū)⒃絹?lái)越小的 IP 和越來(lái)越小的區(qū)塊集合在一起。歸根結(jié)底，我們擁有的發(fā)展機(jī)會(huì)是在每毫米立方體上提供最多的區(qū)塊并獲得每毫米立方體最多的功能，所以我們還沒(méi)有走到極限。封裝將繼續(xù)小型化和縮小尺寸，以便獲取有限體積內(nèi)的最大功能。