英特爾「Foveros」3D封裝技術(shù)打造首款異質(zhì)處理器

英特爾(Intel)在今年的COMPUTEX終于正式宣布，其10納米的處理器「Ice Lake」開始量產(chǎn)，但是另一個(gè)10納米產(chǎn)品「Lakefiled」卻缺席了。

雖然同樣使用10納米制程，但「Lakefiled」是一個(gè)更高階的產(chǎn)品，同時(shí)也將是是英特爾首款使用3D封裝技術(shù)的異質(zhì)整合處理器。

圖四: 英特爾Foveros的堆疊解析圖(source: intel)

根據(jù)英特爾發(fā)布的資料，「Lakefield」處理器，不僅在單一芯片中使用了一個(gè)10nm FinFET制程的「Sunny Cove」架構(gòu)主核心，另外還配置了4個(gè)也以10nm FinFET制程生產(chǎn)的「Tremont」架構(gòu)的小核心。此外，還內(nèi)建LP-DDR4記憶體控制器、L2和L3快取記憶體，以及一個(gè)11代的GPU。

而能夠?qū)⑦@么多的處理核心和運(yùn)算單元打包成一個(gè)單芯片，且整體體積僅有12 x 12mm，所仰賴的就是「Foveros」3D封裝技術(shù)。

圖五: 英特爾Foveros的區(qū)塊與架構(gòu)原理(source: intel)

在年初的架構(gòu)日上，英特爾也特別針對(duì)「Foveros」技術(shù)做說明。英特爾指出，不同于過去的3D芯片堆疊技術(shù)，F(xiàn)overos能做到邏輯芯片對(duì)邏輯芯片的直接貼合。

英特爾表示，F(xiàn)overos的問世，可以為裝置與系統(tǒng)帶來更高性能、高密度、低功耗的處理芯片技術(shù)。Foveros可以超越目前被動(dòng)中介層(interposers)的芯片堆疊技術(shù)，同時(shí)首次把記憶體堆疊到如CPU、繪圖芯片和AI處理器等，這類高性能邏輯芯片之上。

此外，英特爾也強(qiáng)調(diào)，新技術(shù)將提供卓越的設(shè)計(jì)彈性，尤其當(dāng)開發(fā)者想在新的裝置外型中，置入不同類型記憶體和I/O元素的混合IP區(qū)塊。它能將產(chǎn)品分拆成更小的「微芯片(chiplets)」結(jié)構(gòu)，讓I/O、SRAM和電源傳遞電路可以在配建在底層的裸晶上，接著高性能的邏輯微芯片則可進(jìn)一步堆疊在其上。

英特爾甚至強(qiáng)調(diào)，F(xiàn)overos技術(shù)的問世是該公司在3D封裝上的一大進(jìn)展，是繼EMIB(Embedded Multi-die Interconnect Bridge)2D封裝技術(shù)之后的一大突破。

TSV與μbumps技術(shù)是量產(chǎn)關(guān)鍵

而從英特爾所揭露的技術(shù)資料可看出，F(xiàn)overos本身就是一種3D IC技術(shù)，透過硅穿孔(Through-Silicon Via, TSV)技術(shù)與微凸塊(micro-bumps)搭配，把不同的邏輯芯片堆疊起來。

其架構(gòu)概念就是在一塊基礎(chǔ)的運(yùn)算微芯片(compute chiplet)上，以TSV加上微凸塊的方式，堆疊其他的運(yùn)算晶粒(die)和微芯片(chiplets)，例如GPU和記憶體，甚至是RF元件等，最后再把整個(gè)結(jié)構(gòu)打包封裝。

而英特爾目前所使用的制程已達(dá)到10納米，預(yù)計(jì)也可以順利推進(jìn)至7納米，也此透過此3D封裝技術(shù)，將可在單一芯片中達(dá)成絕佳的運(yùn)算效能，并持續(xù)推進(jìn)摩爾定律。

英特爾更特別把此技術(shù)稱為「臉貼臉(Face-to-Face)」的封裝，強(qiáng)調(diào)它芯片對(duì)芯片封裝的特點(diǎn)。而要達(dá)成此技術(shù)，TSV與微凸塊(μbumps)的先進(jìn)制程技術(shù)就是關(guān)鍵，尤其是凸塊接點(diǎn)的間距(pitch)僅有約36微米(micron)，如何透過優(yōu)異的打線流程來達(dá)成，就非?？简?yàn)英特爾的生產(chǎn)技術(shù)了。

圖六: Foveros的TSV與微凸塊疊合示意(source: intel)

但是英特爾也指出，F(xiàn)overos技術(shù)仍存在三個(gè)挑戰(zhàn)，分別為散熱、供電、以及良率。由于多芯片的堆疊，勢(shì)必會(huì)大幅加大熱源密度;而上下層邏輯芯片的供電性能也會(huì)受到挑戰(zhàn);而如何克服上述的問題，并在合理的成本內(nèi)進(jìn)行量產(chǎn)供貨，則是最后的一道關(guān)卡。

依照英特爾先前發(fā)布的時(shí)程，「Lakefield」處理器應(yīng)該會(huì)在今年稍晚推出，但由于英特爾沒有在COMPUTEX更新此一產(chǎn)品的進(jìn)度，是否能順利推出仍有待觀察。