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台积电、英特尔和三星均在加速3D封装技术的部署

2020年09月09日 16:57 次阅读

  近日,中国台湾工业技术研究院研究总监Yang Rui预测,台积电将在芯片制造业再占主导地位五年,此后3D封装将成为主要工艺挑战。

  过去十年各种计算工作负载飞速发展,而摩尔定律却屡屡被传将走到尽头。面对更家多样化的计算应用需求,为了将更多功能“塞”到同一颗芯片里,先进封装技术成为持续优化芯片性能和成本的关键创新路径。

  台积电、英特尔三星均在加速3D封装技术的部署。今年8月,这三大芯片制造巨头均亮出,使得这一战场愈发硝烟四起。

  台积电、英特尔和三星均在加速3D封装技术的部署

  ▲英特尔封装技术路线图

  通过三大芯片制造巨头的先进封装布局,我们可以看到在接下来的一年,3D封装技术将是超越摩尔定律的重要杀手锏。

  一、先进封装:将更多功能塞进一颗芯片

  此前芯片多采用2D平面封装技术,但随着异构计算应用需求的增加,能将不同尺寸、不同制程工艺、不同材料的芯片集成整合的3D封装技术,已成为兼顾更高性能和更高灵活性的必要选择。

  从最新3D封装技术落地进展来看,英特尔Lakefield采用3D封装技术Foveros,台积电的3D封装技术SoIC按原计划将在2021年量产,三星的3D封装技术已应用于7nm EUV芯片。

  台积电、英特尔和三星均在加速3D封装技术的部署

  为什么要迈向先进封装技术?主要原因有二点,一是迄今处理器的大多数性能限制来自内存带宽,二是生产率提高。

  一方面,存储带宽的开发速度远远低于处理器逻辑电路的速度,因此存在“内存墙”的问题。

  在传统PCB封装中,走线密度和信号传输速率难以提升,因而内存带宽缓慢增长。而先进封装的走线密度短,信号传输速率有很大的提升空间,同时能大大提高互连密度,因而先进封装技术成为解决内存墙问题的主要方法之一。

  另一方面,高性能处理器的体系架构越来越复杂,晶体管的数量也在增加,但先进的半导体工艺仍然很昂贵,并且生产率也不令人满意。

  在半导体制造中,芯片面积越小,往往成品率越高。为了降低使用先进半导体技术的成本并提高良率,一种有效的方法是将大芯片切分成多个小芯片,然后使用先进的封装技术将它们连接在一起。

  在这一背景下,以台积电、英特尔、三星为代表的三大芯片巨头正积极探索3D封装技术及其他先进封装技术。

  二、台积电的3D封装组合拳

  今年8月底,台积电推出3DFabric整合技术平台,旨在加快系统级方案的创新速度,并缩短上市时间。

  台积电3DFabric可将各种逻辑、存储器件或专用芯片与SoC集成在一起,为高性能计算机、智能手机、IoT边缘设备等应用提供更小尺寸的芯片,并且可通过将高密度互连芯片集成到封装模块中,从而提高带宽、延迟和电源效率。

  3DFabric由台积电前端和后端封装技术组成。

  前端3D IC技术为台积电SoIC技术,于2018年首次对外公布,支持CoW(Chip on Wafer)和WoW(Wafer on Wafer)两种键合方式。

  台积电、英特尔和三星均在加速3D封装技术的部署

  ▲a为芯片分割前的SoC;b、c、d为台积电SoIC服务平台支持的多种分区小芯片和重新集成方案

  通过采用硅穿孔(TSV)技术,台积电SoIC技术可达到无凸起的键合结构, 从而可将不同尺寸、制程、材料的小芯片重新集成到一个类似SoC的集成芯片中,使最终的集成芯片面积更小,并且系统性能优于原来的SoC。

  台积电后端技术包括CoWoS(Chip on Wafer on Substrate)和InFO(Integrated Fan-out)系列封装技术,已经广泛落地。例如今年全球TOP 500超算榜排名第一的日本超算“富岳”所搭载的Fujitsu A64FX 处理器采用了台积电CoWoS封装技术,苹果手机芯片采用了台积电InFO封装技术。

  此外,台积电拥有多个专门的后端晶圆厂,负责组装和测试包括3D堆叠芯片在内的硅芯片,将其加工成封装后的设备。

  这带来的一大好处是,客户可以在模拟IO、射频等不经常更改、扩展性不大的模块上采用更成熟、更低成本的半导体技术,在核心逻辑设计上采用最先进的半导体技术,既节约了成本,又缩短了新产品的上市时间。

  台积电3DFabric将先进的逻辑、高速存储器件集成到封装模块中。在给定的带宽下,高带宽内存(HBM)较宽的接口使其能以较低的时钟速度运行,从而减少功耗。

  如果以数据中心规模来看,这些逻辑和HBM器件节省的成本十分可观。

  三、英特尔用“分解设计”策略打出差异化优势

  和台积电相似,英特尔也早已在封装领域布局了多种维度的先进封装技术。

  在8月13日的2020年英特尔架构日上,英特尔发布一个全新的混合结合(Integrated Fan-out)技术,使用这一技术的测试芯片已在2020年第二季度流片。

  相比当前大多数封装技术所使用的热压结合(Thermocompression bonding)技术,混合结合技术可将凸点间距降到10微米以下,提供更高互连密度、更高带宽和更低功率。

  台积电、英特尔和三星均在加速3D封装技术的部署

  ▲英特尔混合结合技术

  此前英特尔已推出标准封装、2.5D嵌入式多互连桥(EMIB)技术、3D封装Foveros技术、将EMIB与Foveros相结合的Co-EMIB技术、全方位互连(ODI)技术和多模I/O(MDIO)技术等,这些封装互连技术相互叠加后,能带来更大的可扩展性和灵活性。

  据英特尔研究院院长宋继强介绍:“封装技术的发展就像我们盖房子,一开始盖的是茅庐单间,然后盖成四合院,最后到高楼大厦。以Foveros 3D来说,它所实现的就是在建高楼的时候,能够让线路以低功率同时高速率地进行传输。”

  他认为,英特尔在封装技术的优势在于,可以更早地知道未来这个房子会怎么搭,也就是说可以更好地对未来芯片进行设计。

  面向未来的异构计算趋势,英特尔推出“分解设计(Digression design)”策略,结合新的设计方法和先进的封装技术,将关键的架构组件拆分为仍在统一封装中单独晶片。

  也就是说,将原先整个SoC芯片“化整为零”,先做成如CPUGPU、I/O等几个大部分,再将SoC的细粒度进一步提升,将以前按照功能性来组合的思路,转变为按晶片IP来进行组合。

  这种思路的好处是,不仅能提升芯片设计效率、减少产品化的时间,而且能有效减少此前复杂设计所带来的Bug数量。

  “原来一定要放到一个晶片上做的方案,现在可以转换成多晶片来做。另外,不仅可以利用英特尔的多节点制程工艺,也可以利用合作伙伴的工艺。”宋继强解释。

  这些分解开的小部件整合起来之后,速度快、带宽足,同时还能实现低功耗,有很大的灵活性,将成为英特尔的一大差异性优势。

  四、三星首秀3D封装技术,可用于7nm工艺

  除了台积电和英特尔外,三星也在加速其3D封装技术的部署。

  8月13日,三星也公布了其3D封装技术为“eXtended-Cube”,简称“X-Cube”,通过TSV进行互连,已能用于7nm乃至5nm工艺。

  据三星介绍,目前其X-Cube测试芯片可以做到将SRAM层堆叠在逻辑层上,可将SRAM与逻辑部分分离,从而能腾出更多空间来堆栈更多内存。

  台积电、英特尔和三星均在加速3D封装技术的部署

  ▲三星X-Cube测试芯片架构

  此外,TSV技术能大幅缩短裸片间的信号距离,提高数据传输速度和降低功耗。

  三星称,该3D封装技术在速度和功效方面实现了重大飞跃,将帮助满足5GAI、AR、VR、HPC、移动和可穿戴设备等前沿应用领域的严格性能要求。

  结语:三大芯片巨头强攻先进封装

  可以看到,在2020年,围绕3D封装技术的战火继续升级,台积电、英特尔、三星这三大先进芯片制造商纷纷加码,探索更广阔的芯片创新空间。

  尽管这些技术方法的核心细节有所不同,但殊途同归,都是为了持续提升芯片密度、实现更为复杂和灵活的系统级芯片,以满足客户日益丰富的应用需求。

  而随着制程工艺逼近极限,以及应用需求的持续多元化,未来芯片制造商除了要解决散热等技术挑战外,还有望推进来自不同厂商的先进封装技术的融合。

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  FP6291产品描述: QQ 289 271 5427    FP6291是当前模式提高直流-直流转换器。PWM电...
发表于 2020-08-31 20:33 101次阅读
FP6291- 远翔移动电源(5V,1A输出)应用的小封装(SOT23-6)升压IC

BRD板和LIB库之间LIB库和LIB库之间的封装和焊盘差异

       程序功能:验证BRD板和LIB库之间,SIP板和LIB库之间,MCM板和LIB库之间...
发表于 2020-08-24 12:50 202次阅读
BRD板和LIB库之间LIB库和LIB库之间的封装和焊盘差异

驾考科目二科目三数据采集卡原理图与封装

目前国内驾驶员科目二与科目三考试系统的数据采集基本上使用单片机做为采集车辆状态信号源,本人制作了一款数据采集卡...
发表于 2020-08-22 14:06 138次阅读
驾考科目二科目三数据采集卡原理图与封装

LT8711HEType-c(DP1.2)转HDMI2.0QFN64封装

一。一般说明LT8711HE是一种高性能C/DP1.2到HDMI2.0转换器,设计用于将USB C型源或DP1.2源连接到HD...
发表于 2020-07-25 10:25 123次阅读
LT8711HEType-c(DP1.2)转HDMI2.0QFN64封装

为了便于寻找封装,这里分享一个protel封装名参考

在刚刚使用软件时经常要在封装库里面找需要的封装找好久,今天给大家分享一个规范的 protel封装命名参考,便于大家以后...
发表于 2020-07-24 09:09 317次阅读
为了便于寻找封装,这里分享一个protel封装名参考

QFP PZP封装的thermal pad上有49个过孔,一定要这么多吗?

第一次使用TMS320F28377S,有两个问题请教: 1、QFP PZP封装的thermal pad上有49个过孔,一定要这么多吗?...
发表于 2020-07-23 10:21 0次阅读
QFP PZP封装的thermal pad上有49个过孔,一定要这么多吗?

最全PCB封装库分享--OrCad+PADS+AD封装库

作为PCB工程师建立库封装是每一个工程师工作的基础,一旦封装出了问题整个设计都会收到影响,这里为大家整理了三个...
发表于 2020-07-21 08:00 2912次阅读
最全PCB封装库分享--OrCad+PADS+AD封装库

在移动领域,ARM在哪些方面领先英特尔

现在移动领域绝大多数用的 ARM 提供的芯片授权,就连 iPhone 先是直接从三星(三星的也经过 ARM 授权)那里买,...
发表于 2020-07-17 06:32 304次阅读
在移动领域,ARM在哪些方面领先英特尔

苹果MAC彻底不用英特尔芯片需要多长时间

  北京时间23日凌晨1点,苹果WWDC2020大会开幕。苹果公司宣布Mac电脑将转向公司自研芯片,演示样机的iMac使用...
发表于 2020-06-23 09:30 314次阅读
苹果MAC彻底不用英特尔芯片需要多长时间