台积电、英特尔和三星均在加速3D封装技术的部署

　　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。

　　▲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。

　　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。

　　▲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。

　　▲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CPU、GPU、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。

　　▲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5G、AI、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。