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[導讀]最近,英特爾為記者揭祕摩爾定律探索中的新拐點,即封裝技術。

遙想當年,英特爾(Intel)創始人之一戈登·摩爾創造了摩爾定律,為半導體行業發展指明瞭一條羅馬大道。不過,畢竟理論自1965年至今已有五十餘年,節點已微縮至幾近納米極限,行業摩爾定律逐漸放緩,甚至有言道“摩爾定律已死”。

擺在現實的是,納米節點轉換越來越難了,物理極限越來越近了。處在後摩爾時代的企業只能默默面對納米極限的逼近嗎?最近,英特爾為記者揭祕摩爾定律探索中的新拐點,即封裝技術。

封裝技術成為摩爾定律的新拐點

摩爾定律到底是什麼,封裝技術和摩爾定律到底有什麼關係?請聽筆者細細道來。1965年起初,戈登·摩爾表示集成電路上可容納的元器件數量約18個月便會增加一倍,後在1975年將這一定律修改為單位面積芯片上的晶體管數量每兩年能實現翻番。

回望摩爾定律整個歷史,讓晶體管溝道進一步縮短,突破物理極限也曾先後經歷多個瓶頸。首先碰到的便是半導體材料的限制,由此行業發明了電化學鍍銅和機械平面化的雙鑲嵌結構技術;而後遇到了設備物理限制,Si柵極和SiO2柵極電介質材料被金屬柵極和高K電介質取代;再到193nm節點以上,受到光刻技術限制,行業光刻技術得以發揚,在製程節點45nm-32nm下產生了浸沒工藝、16nm-10nm下產生了多重曝光工藝、7nm-5nm則引入了極紫外線(EUV)工藝。

因此,可以看出,為了延續摩爾定律,專家絞盡腦汁想盡各種辦法,包括改變半導體材料、改變整體結構、引入新的工藝。但不可否認的是,摩爾定律在近幾年逐漸放緩。10nm、7nm、5nm……芯片製程節點越來越先進,芯片物理瓶頸也越來越難克服。

因此,業內專家指出了後摩爾時代的硅技術的發展方向。一種是繼續採用“硅-馮諾依曼”範式,通過改變結構形成新型器件,使得摩爾定律能夠繼續;另一種則是採用類腦模式的新興架構,利用3D封裝模擬神經元特性,構建存算一體的計算,這種架構不僅低功耗,還擁有並行性。

反觀摩爾定律的“忠實粉絲”英特爾,一直以來默默按照戈登·摩爾描繪的路線發展,通過窺探巨頭的發展,我們能看出什麼?

近期,英特爾宣佈進入IDM 2.0時代,彼時英特爾CEO帕特·基辛格宣佈英特爾將開放代工服務(IFS)。上個月,帕特·基辛格向投資者表示:“我們已經看到潛在的代工客户對封裝技術非常感興趣”。

英特爾院士、封裝研究與系統解決方案總監Johanna Swan表示,封裝從未如此備受青睞。根據定義,封裝是圍繞一個或多個硅晶片的外殼,可以保護晶片免受外界影響,實現散熱,提供電源,並將它們連接至計算機的其餘組件。封裝是用來建立外部連接的,但同時可以優化內部性能,一直達到晶體管這一級別。

那麼封裝究竟和摩爾定律有什麼關係呢?Swan表示,封裝的下一個基石是“功能緻密化……即最大化單位體積性能”。

簡單來説,封裝能夠減少芯片間的凸點間距,增大凸點密度。整體的密度越大,實際上也代表着單位面積上晶體管數量越密。所以説,封裝雖然和摩爾定律沒有直接關聯,但卻又影響着摩爾定律的發展。

而目前來説,英特爾已逐漸將芯片從單一芯片拆分成為數個小芯片,然後進行自由組合,這就是英特爾的小芯片Chiplet 2.0的技術。因此,這樣的方式之下,對於封裝和互連技術要求則會更高。

除此之外,需要注意的是,英特爾還宣佈過神經擬態芯片“Loihi”,該產品相比傳統計算機架構來説,完全模糊了內存和處理之間的界限。實際上,這也對應了之前業內專家的分析,之所以能夠模擬神經元特性,得益於先進的3D封裝技術,因此在此方面封裝也“立了大功”。

英特爾的封裝技術正邁向新的凸點間距

那麼巨頭英特爾的封裝技術是如何發展的?根據Swan的介紹,從標準封裝到EMIB(嵌入式多管芯互聯橋接)再到Foveros,凸點間距從100μm縮減到50-25μm。展望未來,英特爾要做到小於10μm的凸點間距。

據英特爾介紹,EMIB是英特爾的一種2.5D高密度微縮技術,通過EMIB技術可以實現更好的導線密度。通過將硅中介層放入封裝內,因而可進行局部高密度佈線,並非全部芯片的高密度佈線。利用EMIB技術,可將典型FCBGA(有機封裝)的IO層提升至256-1024 IO/mm/層。這項技術能夠實現55-36μm的凸點間距和每平方毫米330-722/m㎡的凸點密度,功率可以控制在0.5pJ/bit。

Foveros則是一種3D高密度微縮技術,如若在此基礎上進行完美的設計,IO就甚至可以達到從400至10000IO/mm²。這項技術能夠實現50-25μm的凸點間距和400-1600/m㎡的凸點密度,功率可以控制在0.15pJ/bit。

既然英特爾的目標是10μm以下,那麼如何實現?答案是“混合結合”的Hybrid bonding技術。去年第二季度,這項技術的測試芯片已經流片,利用該技術不僅能夠實現10μm凸點間距的願景,還能使得凸點密度達到10000/m㎡,功率控制在0.05 pJ/bit。並且,混合結合技術可以使用與晶片到晶圓,也可以使用與晶圓到晶圓。

Swan強調,Hybridbonding能夠使兩芯片間實現更多互連,讓英特爾能夠提供更小、更簡單的電路,也不必做扇入(fan-in)和扇出(fan-out)。有了更簡單的電路,英特爾可以使用更低的電容,以降低通道的功率。

隨着摩爾定律的繼續推進,芯片的尺寸可能會變得越來越小,為了保證足夠的帶寬,必須要在導線上下功夫。整個小芯片尺寸變得越來越小,其實隨着間距變得越來越短,傳統基於焊料的技術已經快要到極限了,這就是為什麼英特爾要使用全新的技術混合結合Hybrid bonding封裝。

那麼Hybrid Bonding到底和Foveros有什麼區別,憑什麼混合結合封裝就能減少凸點間距?根據Swan的介紹,硅晶片分佈在頂部和底部,中間則是帶焊料的銅柱,英特爾所做的就是將它們附着在一起和回焊,讓它升温。這些芯片之間有不同的温度,需要熔化焊料,將其放在一起,進行連接和回焊,再製作電氣接頭。在這之後,進行底部填充膠的分配,將填充有環氧樹脂的硅放入模具之間以確保它們密封並能夠完成放入並組裝。

Hybrid Bonding與Foveros的焊接工藝不同,與焊接技術相反,混合結合技術使電介質的芯片非常光滑,而不是有突出的凸點,甚至實際上還會略微凹陷。當採用混合結合技術將這兩個組件放在一起時,不必升高温度,可以在室温粘合兩個組件。在其相互附着後,再升高温度並進行退火,銅在這時會膨脹,從而形成電氣連接。Swan強調,這是非常有用的,因為這樣可獲得更高的載流能力。

“我們甚至可以將間距縮小到10微米以下。這樣使我們目前在這些接口之間獲得了比底部填充和緊密的銅密度更好的熱性能。不過,當使用混合結合技術時,將需要一種新的製造、清潔和測試方法”,Swan如是説。

實際上,這種更小的間距頗具吸引力,能夠聯動許多技術的進化。Swan為記者解釋,英特爾曾在2020年架構日中展出晶片的分解技術,英特爾將其分為GPU、CPU、IO等芯片或區塊,這樣就可以利用單獨的IP的複用減少開發時間和芯片缺陷。

在Hybrid Bonding技術誕生之際,能夠有效減少凸點間距,實現更高的凸點密度和更低的功耗。

“不過,在焊接轉向Hybrid Bonding後,依然需要面對另一個挑戰”,Swan坦言,突然有了這麼多區塊,如果保持製造流程以相同的速度進行,但現在又有更多的晶片需要放置。“

我們正在考慮的解決方案是批量組裝,我們稱之為自組裝”,Swan這樣為記者介紹。

目前自組裝已經有一些研究在進行中,英特爾正在積極與CEA-LETI合作研究,旨在一次能夠放置更多個晶片,同時確定性使用非常小的晶片快速放置。目前來説,混合結合自組裝已成為英特爾研究的重點,放在了研究路線圖之中。

英特爾的封裝技術是三位一體的

除了在功率效率和互連密度上的提升,英特爾還將封裝技術分出可擴展性這個維度。這一維度之上,包括Co-EMIB和ODI兩個技術。

按照之前英特爾的介紹來説,Co-EMIB是融合EMIB技術和Foveros技術的一種封裝,是融合2.5D和3D的技術。如果將EMIB理解成水平方向,Foveros理解成垂直方向,那麼Co-EMIB就是三位一體的兼顧兩個方向的封裝方式,能夠真正發揮高密度微縮的效果。

可以説,可擴展的Co-EMIB的技術是發揮所有封裝方式優勢的平台,也是2.5D和3D封裝技術碰撞交融、各自發揮優勢的彙集地。

實際上,市場大趨勢下,友商也開始逐漸將2.5D和3D封裝技術進行組合。Swan認為,這種組合的趨勢將繼續持續下去,並且這種趨勢能夠為產品帶來更多的機會和差異化優勢。

英特爾利用2.5D和3D封裝組合的成果就是Ponte Vecchio,該產品定位於超級計算機加速器。根據最近帕特·基辛格透露的信息,Ponte Vecchio採用了英特爾迄今最先進的封裝工藝,晶體管規模突破1000億,最多可集成多達47顆不同芯片模塊,提供千萬億次(PFlops)的計算能力。

另一個頗具可擴展性的技術就是ODI(全方位互連技術)。根據此前的介紹,在常規的疊加方式下,下面的基礎裸片必須是較大的,它要大於上面疊加的所有小芯片的總和。通過ODI技術可以改變這一點,兩者之間可以進行更好的協調,並且可以上下做到面積統一。

英特爾的全新全方位互連技術(ODI)為封裝中小芯片之間的全方位互連通信提供了更大的靈活性。頂部芯片可以像EMIB技術下一樣與其他小芯片進行水平通信,同時還可以像Foveros技術下一樣,通過硅通孔(TSV)與下面的底部裸片進行垂直通信。另外,這種方法減少了基底晶片中所需的硅通孔數量,為有源晶體管釋放了更多的面積,並優化了裸片的尺寸。

ODI屬於另一種優化,通過添加 ODI 封裝技術能為客户帶來更多定製化的方案。

總結

“僅僅將英特爾這一封裝技術引起的芯片設計製造變革稱作“小改變”,過於輕描淡寫了”,Swan如是説。

通過上文的內容來看,實際上英特爾推進的現今封裝技術,不僅達到了晶體管的級別,使得成為摩爾定律探索的新關鍵,還與未來新架構息息相關。

自從英特爾推出英特爾代工服務(IFS)後,現今的封裝技術不僅吸引了潛在代工客户,還使英特爾能夠提供各種領先產品。

在筆者看來,在摩爾定律逐漸逼近極限之時,未來集成電路行業在後摩爾時代不僅要着眼於半導體材料、結構和工藝,還要注意封裝互連技術對晶體管的影響,或許這是未來破局的關鍵。

在第一顆7nm芯片誕生之後,每次製程的提高都會有着摩爾定律將死的語言。反觀行業,已逐漸顯露一些對1nm製程後的研究成果。

最後,筆者想要引用一句非常喜歡的話:“每一次遇到摩爾定律的極限,我們都能車到山前必有路,找到新的方向和發展空間,摩爾定律不會死去,會死的或許只是跟不上時代前進的公司。”

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付斌

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