2.5D封装为何成为AI芯片的“宠儿”？

多年来，封装技术并未受到大众的广泛关注。但是现在，尤其是在AI芯片的发展过程中，封装技术发挥着至关重要的作用。2.5D封装以其高带宽、低功耗和高集成度的优势，成为了AI芯片的理想封装方案。

在2.5D封装领域，英特尔的EMIB和台积电的CoWoS是两大明星技术。众所周知，台积电的CoWoS产能紧缺严重制约了AI芯片的发展，这正是英特尔EMIB技术可以弥补的地方。本文我们将以英特尔EMIB为例，深入解析2.5D封装之所以能成为AI芯片的宠儿的原因。

为何EMIB是AI领域的理想选择？

2.5D封装并不是一个全新的概念，但它在AI芯片领域的应用却焕发出了新的生命力。简单来说，2.5D封装是一种通过硅中介层（Silicon Interposer）或嵌入式桥接技术（如英特尔的EMIB）将多个芯片水平连接起来的技术。与传统的2D封装相比，它允许在单一封装内集成更多功能单元，比如CPU、GPU、内存（HBM）和I/O模块；而与复杂的3D堆叠相比，它又避免了过高的制造难度和热管理挑战。这种“不上不下的中间状态”恰恰为AI芯片提供了完美的平衡。

AI芯片的一个显著特点是需要高带宽和低延迟的芯片间通信。例如，训练一个深度学习模型时，GPU需要与高带宽存储器（HBM）快速交换数据，而传统的封装技术往往受限于互连带宽和功耗。2.5D封装通过在芯片间引入高密度互连通道，显著提升了数据传输效率，同时保持了相对简单的制造流程。这使得它特别适合AI加速器和数据中心处理器等高性能应用。

“我经常被问到一个问题：为什么EMIB是AI领域的理想选择？是什么让这项技术对这些应用如此适合？”英特尔先进系统封装与测试事业部副总裁兼总经理Mark Gardner表示。他通过一张图详细解析了EMIB作为AI加速器理想封装技术的优势，并总结了EMIB的五大关键优势：

第一，成本更低。EMIB采用小型硅桥连接芯片，一个晶圆上就能生产数千个桥接单元，极大提高了利用率。相比之下，传统晶圆级封装在制造复杂结构（如含12个HBM堆叠和多个光罩芯片的大型封装）时，成品率低且浪费严重。而EMIB不仅提升了良率，还能在HBM数量增加时，展现出成本优势的指数级增长。

第二，更高良率。与其他2.5D技术相比，EMIB减少了复杂的工艺步骤。传统晶圆级封装需要“芯片对晶圆”（Chip-on-Wafer）流程，涉及模具、凸点等多重工序，增加了出错风险。EMIB简化了这些步骤，自然带来了更高的生产稳定性。

第三，更快生产周期。更少的工艺步骤不仅提升良率，还缩短了生产时间。与动辄数天的传统流程不同，EMIB能将周期缩短数周。在AI市场瞬息万变、上市时间至关重要的背景下，提前几周拿到加电测试数据、硅片验证数据对客户意义重大。

第四，更强扩展性。EMIB将硅桥嵌入基板，而基板制造通常基于大型方形面板。这种设计大幅提高了基板利用率，特别适合需要集成更多HBM或复杂工作负载的大型封装。对于AI客户来说，这意味着更强的适应性和性能潜力。

第五，为客户提供更多选择。英特尔代工致力于为客户提供多样化的选项。市场上已有既定的行业解决方案，而EMIB技术为客户提供了一种替代方案。在某些情况下，客户可以选择多源供应，也可以选择单一来源，关键是EMIB为他们提供了灵活性和选择权。EMIB技术已经在生产中应用了近十年，拥有成熟的供应链。这些因素共同构成了EMIB作为AI领域（尤其是加速器）理想平台的原因。

近年来，2.5D封装产能一直面临限制，特别是在某些市场需求不断增长的情况下，封装产能不足问题愈发显著。然而，英特尔的EMIB技术在这一领域具有明显的产能优势。通过结合Foveros 2.5D和EMIB 2.5D，英特尔的综合产能已经超过行业水平的两倍，对于那些担心需求波动或增长无法得到满足的客户，英特尔的解决方案无疑具有巨大的吸引力。据英特尔透露，AWS和Cisco在数据中心服务器和AI加速器产品领域就采用了英特尔的先进封装技术。

英特尔领衔封装技术数十年

作为封装技术的先锋，英特尔在过去五十多年里一直处于行业领先地位。从早期的引线键合架构（Wire-Bond）到倒装陶瓷芯片（Flip-Chip Ceramic）和多芯片（Multi-Chip）封装技术，英特尔不断推动封装技术的发展。如今，它通过与生态系统伙伴合作制定标准，带领整个行业迈入先进封装的新时代，包括2.5D、3D乃至3.5D技术。以英特尔EMIB 2.5D为例，其首个产品已量产近十年，这些成果并非一蹴而就，而是长期积累的结晶。

目前，英特尔代工提供了一套完整的先进封装产品组合，满足从低成本到高性能的多样化需求：

首先，成本低廉的FCBGA。FCBGA（Flip-Chip Ball Grid Array）分为两种版本：FCBGA 2D和FCBGA 2D+。FCBGA 2D是传统的有机封装技术，至今仍在量产。它成本低廉，适合I/O需求少、不需要高速连接的产品，是许多细分市场的理想选择。而FCBGA 2D+在FCBGA 2D基础上加入了基板层叠技术（Substrate Stacking），针对主板连接尺寸大但芯片复杂度不高的场景，能有效降低客户为高密度基板支付的额外成本。这种技术在网络和交换设备领域尤其受欢迎。

接着，EMIB系列主打高性能。EMIB（嵌入式多芯片互连桥接）包括EMIB 2.5D和EMIB 3.5D两种。EMIB 2.5D通过基板中的微型硅桥连接单层芯片或HBM堆叠，实现高密度、低功耗的芯片间通信。虽然它也用于消费类产品，但在AI和高性能计算（HPC）领域表现尤为出色。EMIB 3.5D与EMIB 2.5D类似，都采用嵌入基板中的硅桥技术。不同之处在于EMIB 3.5D引入了3D堆叠技术，将芯片叠放在有源或无源基板上。这不仅保留了EMIB的连接优势，还增加了垂直堆叠的灵活性。某些IP更适合垂直堆叠，而不是水平连接。此外，由于封装的复杂度较高，客户希望利用EMIB技术将这些堆叠连接起来，而不是使用大型的无源或有源中介层。

最后则是Foveros技术，Foveros技术分为Foveros 2.5D和Foveros 3D。Foveros 2.5D采用焊料连接芯片与晶圆，适合将高速I/O与小型芯片组分离的场景。而Foveros Direct则使用铜-铜直接键合，提供最高带宽和最低功耗的互连，性能无可匹敌。在AI和HPC应用中，这些技术还能灵活组合——比如Foveros Direct 3D搭配HBM，再融入EMIB 3.5D，形成一个多技术融合的封装方案。

英特尔代工的新招

半导体行业正迎来一个全新的发展阶段，传统的芯片设计与制造模式已不足以应对AI和高性能计算带来的复杂需求。在这一转型期，系统级代工厂（Systems Foundry）和系统技术协同优化（System Technology Co-Optimization）的重要性日益凸显。作为代工厂或服务提供商，英特尔认为，通过这些协同优化策略，可以更好地满足客户需求，打造更强大的产品。

在这一背景下，英特尔不仅专注于传统封装技术，还扩展到了系统级架构和设计服务。比如，热建模与优化、功耗建模与优化，这些都是英特尔多年来与内部产品部门合作积累的技术成果，并广泛应用到各种产品中。一个典型的例子是几年前推出的英特尔数据中心 GPU Max 系列。这款产品把近50块芯片集成到一个封装里，这些芯片基于五种不同的制造工艺，有些来自英特尔，有些来自第三方代工厂。要实现这样的产品，光靠技术本身还不够，还需要硅芯片与封装的协同设计，再加上热管理、功率传输等环节的优化，才能让这么多芯片在一个封装里高效工作。

说到复杂封装，英特尔还在细节上下足了功夫。比如在大型封装中，芯片和基板可能会因为尺寸大而出现翘曲问题。英特尔通过优化工艺流程和主板设计，解决了这些翘曲边缘的管理问题，确保即使在高复杂度下，产品性能依然稳定可靠。

当然，好封装离不开好测试。芯片测试是确保封装质量的关键一环，尤其是要保证进入封装的芯片都是“已知良品”（Known Good Die，简称KGD）。如果一个封装里只有一块芯片，测试还算简单。但像现在这样，一个封装可能包含50块不同功能的芯片，比如GPU、I/O单元和HBM堆叠，只要有一块坏芯片，整个封装就可能报废。所以，提前检测出问题芯片，避免浪费其他好芯片，显得特别重要。

为此，英特尔开发了“裸片测试”（Die Sort）技术，这项技术已经在生产中用了十多年。它的做法是先把整片晶圆切成单个裸片，然后在组装到基板之前进行测试。因为裸片很小，热量控制非常精准，甚至可以在1秒内让温度变化100摄氏度。这种高精度的测试能提前发现缺陷，比如GPU或计算单元的问题，从而提高生产效率和良率。过去，这种提前检测已经很有价值，但现在，当一个封装的材料和芯片成本高达几千美元时，它的重要性就更加凸显了。尤其在如今的产品中，可能包含10片、20片甚至50片芯片，良品管理成了重中之重。通过在制造的早期加入测试环节，英特尔能确保每一步都用的是好芯片，避免后期更大的损失。

与此同时，英特尔的代工服务也在变得更灵活。Mark Gardner提到，客户现在可以根据需要自由选择服务：比如只用英特尔的EMIB封装技术，芯片则交给其他代工厂生产；或者只用英特尔的裸片测试能力。这种“按需定制”的模式也延伸到了晶圆制造层面，让客户能专注于对自己最重要的环节，获得最有价值的服务。

英特尔已完成超过250个2.5D设计项目，涵盖消费电子、FPGA、服务器数据中心和AI加速器等多领域应用，2.5D技术已广泛投入生产。英特尔还提供增值服务，帮助客户优化产品设计，包括硅与封装协同设计、功率传输、热管理等方面，凭借丰富的经验与技术积累，协助客户提升产品性能。

值得一提的是，英特尔还跟其他代工厂，比如台积电和三星，保持长期合作。他们制定了兼容的设计规则，确保这些代工厂生产的晶圆能无缝适配英特尔的封装技术。这不仅给了客户更多选择，也让不同供应商的技术能自由组合，满足多样化的市场需求。

未来展望：更大封装与玻璃基板的应用

展望未来，英特尔正在积极推动封装技术的进一步发展，特别是在封装尺寸和材料选择上。Gardner透露，英特尔正在研发120毫米×120毫米的超大封装尺寸，并计划在未来一到两年内实现量产。这一技术的推进将进一步拓展AI加速器的封装能力，满足更大规模计算需求。

此外，英特尔对玻璃基板和玻璃核心技术的投资也在不断加大。随着封装尺寸的增大，传统材料的局限性变得愈加明显，玻璃基板因其出色的性能和扩展性，逐渐成为未来封装技术的重要组成部分。Gardner认为，玻璃基板将在未来几年成为主流，将推动封装技术的持续扩展和创新。

结语

随着AI技术的不断进步和应用场景的不断扩展，封装技术的创新将成为推动产业变革的重要动力。英特尔通过EMIB、Foveros等多项先进封装技术，不断突破技术瓶颈，提供高效、灵活的解决方案，引领着封装技术的未来方向。

审核编辑 黄宇