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英特爾3D封裝技術(shù)深度解讀

2019-01-24
關(guān)鍵詞: 半導(dǎo)體 FinFET 3DNAND

一說到2D或者3D,,總是讓人想到視覺領(lǐng)域中的效果,,然而在半導(dǎo)體領(lǐng)域,3D技術(shù)帶來的革命更嘆為觀止,,早些年的FinFET3D NAND只是個開始,。從去年12月初英特爾公布新架構(gòu)路線,到1月初CES 2019上拿出M.2 SSD大小的整臺電腦,,這樣的速度,,你不得不更上!

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到底是什么決定著產(chǎn)品質(zhì)的飛越,,銷量徘徊不前的PC到底路在何方,?英特爾在此次CES上給了大家答案和思考。


“早”在2011年年中,,英特爾推出了向空間要性能的Tri-Gate 3D晶體管技術(shù),,成為LSI取代電子管之后,半導(dǎo)體制程革命的新標志,。該技術(shù)就是今天已經(jīng)廣為各大半導(dǎo)體廠商所采用的FinFET,。


從2013年開始,多家主流的Flash廠商開始陸續(xù)推出3D NAND產(chǎn)品,,最早推出該類產(chǎn)品的三星稱之為V-NAND,。與該技術(shù)普及相伴的是MLC向高堆疊TLC的技術(shù)演進,SSD進入尋常百姓家,。

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在這股浪潮中,,英特爾/美光并不是十分積極,直到2015年才少量推出了使用相對獨特的浮柵技術(shù)的3D NAND產(chǎn)品,。真正的大招是他們同時宣布,,2017年初正式推出成品的3D XPoint技術(shù),英特爾稱之為Optane(傲騰),,比單純的3D NAND只講求容量增加,,更多了一重性能(速度、延遲,、壽命)的大幅提升,。


可以說,半導(dǎo)體業(yè)界近年來每次大的技術(shù)飛越,,都與3D化——從平面向空間要增長密不可分,。而其中,,英特爾的角色都是那么的微妙和關(guān)鍵。


剛剛公布就接近產(chǎn)品化的3D封裝技術(shù)Foveros,,將用多么“了不起(Foveros希臘語含義)”的成就改變半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)呢,?


制程制程,制程是什么,?無論是英特爾推演在的14nm,、剛剛宣布2019年進入的,還是TSMC于去年下半年開始量產(chǎn)7nm,,簡單的描述是線寬,,是晶片組成的半導(dǎo)體里弄中的道路寬度。路窄不是問題,,關(guān)鍵是一方面要能保證車輛正常通行,,另一方面還要防止路兩側(cè)房間不會隔路“相望”。英特爾不斷的14nm制程優(yōu)化過程,,就是路不變窄的情況下,,盡可能蓋上更多的房間、住下更多的晶體管,。同理,7nm的馬路雖窄,,但若不能很好地隔離不同“房間”間的干擾,,房間的實際面積或距離,并不能隨同制程改進而縮小,,也就是晶體管密度沒有增加,,一切都等于白搭。


雖然FinFET技術(shù)已經(jīng)完全普及,,但是由于大多數(shù)CPU或SoC內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜,、同時具有電氣性能差異巨大的眾多功能模塊,F(xiàn)inFET技術(shù)只能實現(xiàn)單個晶體管,,或者說柵極的空間布局,,晶體管本身無法實現(xiàn)多層堆疊,即3D化,。在這種情況下,,CPU和SoC只能基于單片晶圓生產(chǎn),同等制程情況下,,對應(yīng)DIE的面積反映出晶體管的數(shù)量,,間接地呈現(xiàn)芯片性能。這也是摩爾定律已死的理論根源,。


3D封裝技術(shù),,在這里起到了革命性的作用,,下面的故事有點像立體種植,把從面積要的產(chǎn)能改為向空間要,。

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立體種植晶體管,,對不起,暫時還不能,。3D封裝說得很清楚,,就是在空間中而不是平面化封裝多個芯片。也許你會說,,這有什么新鮮的,,芯片堆疊技術(shù)不是老早之前就被廣泛使用了么,無論是DRAM還是NAND,,都已廣泛采用堆疊技術(shù),,特別是NAND已經(jīng)從128層甚至更多層邁進。而智能手機所使用的SiP芯片,,也是將SoC與DRAM堆疊在一起的,。


DRAM/NAND堆疊相對簡單,由于各層半導(dǎo)體功能特性相同,,無論是地址還是數(shù)據(jù),,信號可以縱穿功能完全相同的不同樓層,就像是巨大的公寓樓中從底到頂穿梭的電梯,。存儲具有Cell級別的高度相似性,,同時運行頻率相對不高,較常采用這種結(jié)構(gòu),。

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SoC和DRAM芯片的堆疊,,采用了內(nèi)插器或嵌入式橋接器,芯片不僅功能有別,,而且連接速度高,,這樣的組合甚至可以完成整個系統(tǒng)功能,因此叫SiP(System in Package)更準確,。SiP封裝足夠小巧緊湊,,但是其中功能模塊十分固定,難以根據(jù)用戶需要自由組合IP模塊,,也就是配置彈性偏低,。

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在去年年初,英特爾推出Kaby Lake-G令人眼前一亮,,片上集成AMD Vega GPU和HBM2顯存的Kaby Lake-G讓EMIB(嵌入式多芯片互連橋接)封裝技術(shù)進入人們眼簾,,而該技術(shù)還只是2D封裝,也就是所有芯片在一個平面上鋪開。

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現(xiàn)在,,英特爾已準備好將3D封裝引入主流市場,,也就是Foveros。Foveros 3D封裝將多芯片封裝從單獨一個平面,,變?yōu)榱Ⅲw式組合,,從而大大提高集成密度,可以更靈活地組合不同芯片或者功能模塊,。

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多IP組合靈活(異構(gòu)),,并且占用面積小、功耗低,,是Foveros最顯著的特點,。特別是結(jié)合上英特爾10nm制程,摩爾定律從晶體管密度(2D)到空間布局(3D)兩個維度得到延續(xù),。


Lakefield是英特爾在CES 2019上披露的全新客戶端平臺的代號,,該平臺支持超小型主板,有利于 OEM 靈活設(shè)計,,打造各種創(chuàng)新的外形設(shè)計,。該平臺采用英特爾異構(gòu) 3D封裝技術(shù),并具備英特爾混合CPU架構(gòu)功能,。借助Foveros,,英特爾可以靈活搭配3D堆疊獨立芯片組件和技術(shù)IP模塊,如I/O和內(nèi)存,?;旌螩PU架構(gòu)將之前分散獨立的CPU內(nèi)核結(jié)合起來,支持各自在同一款10nm產(chǎn)品中相互協(xié)作:高性能Sunny Cove內(nèi)核與4個Atom內(nèi)核有機結(jié)合,,可有效降低能耗。英特爾宣布預(yù)計將于2019年下半年推出使用這種全新3D堆疊技術(shù)的產(chǎn)品,。

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這顆Foveros 3D封裝技術(shù)打造的硬幣大小的芯片,,從下至上,依次是封裝基底(Package),、底層芯片(Bottom Chip),、中介層(Active Interposer,中介層上的上層芯片可以包括各種功能,,如計算,、圖形、內(nèi)存,、基帶等,。中介層上帶有大量特殊的TSV 3D硅穿孔,負責(zé)聯(lián)通上下的焊料凸起(Solder Bump),讓上層芯片和模塊與系統(tǒng)其他部分通信,。

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該芯片封裝尺寸為12mm×12mm,、厚1mm,而內(nèi)部3D堆疊封裝了多個模塊:基底是P1222 22FFL(22nm改進工藝)工藝的I/O芯片,;之上是P1274 10nm制程計算芯片,,內(nèi)部整合了一個Sunny Cove高性能核心、4個Atom低功耗核心,;PoP整合封裝的內(nèi)存芯片,。據(jù)稱,整顆芯片的功耗最低只有2mW,,最高不過7W,,注意,這可是高性能的x86架構(gòu)芯片,,不是ARM的喲,!

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圍繞這顆芯片制成的電腦主板尺寸縮小到一塊M.2規(guī)格SSD大小,要知道此前Core m SoC平臺主板的面積小1/2以上,。


同時Sunny Cove 高性能核心將提供用于加速 AI 工作負載的全新集成功能,、更多安全特性,并顯著提高并行性,,以提升游戲和媒體應(yīng)用體驗,,特別是其高級媒體編碼器和解碼器,可在有限功耗內(nèi)創(chuàng)建4K視頻流和8K內(nèi)容,。另外,,從Ice Lake開始,英特爾承諾的直接集成Thunderbolt 3和支持Wi-Fi 6(802.11ax)等功能也將落地,,全面增強連接性能,。


此后,10nm技術(shù)將逐步拓展到桌面級產(chǎn)品領(lǐng)域,、Foveros 3D封裝的Lakefield,,而至強可擴展(Xeon Scalable)平臺(Ice Lake-SP)則將在2020年進行升級。

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隨著東京奧運會的臨近,,英特爾的5G技術(shù)也在加緊部署,。其中代號為Snow Ridge的首款10nm 5G無線接入和邊緣計算的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)芯片,將把英特爾的計算架構(gòu)引入無線接入基站領(lǐng)域,,從而充分讓其計算功能在網(wǎng)絡(luò)邊緣進行分發(fā),。CES 2019上,英特爾展示了基于Snow Ridge平臺的一款小型無線基站,,整個設(shè)備的體積非常小巧,,而這顆芯片示Snow Ridge也采用了Foveros 3D封裝工藝,,交付時間為今年下半年。

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新制程與新封裝,,一直是英特爾稱霸半導(dǎo)體領(lǐng)域的基石,。2011年的22nm+Tri-Gate,2019年的10nm+Foveros,,摩爾定律的世界依然寬廣,。


等待了數(shù)年,英特爾新技術(shù)將再次改變世界,,起點仍將是集各領(lǐng)域發(fā)展前沿于大乘的PC領(lǐng)域,。在可以預(yù)見的將來,AI加持的CPU仍將是核心計算單元,,經(jīng)過重新構(gòu)建的CPU架構(gòu),,無論是從Sunny Cove開始的新一代酷睿微架構(gòu),還是Lakefield所展現(xiàn)的混合CPU架構(gòu),,都極大地平衡了性能與功耗,,將高性能、小型化與長續(xù)航推向新的高度,。在最新發(fā)布的一批9代酷睿處理器上,,新的“F”后綴產(chǎn)品已經(jīng)不再集成核顯,與Ice Lake走向市場前后腳,,英特爾回歸獨顯市場的首款產(chǎn)品Arctic Sound也將上市,,隨后的13代產(chǎn)品Jupiter Sound更是再推翻番的性能。再加上本地連通的PCI-E 4.0,、擴展連接的集成Thunderbolt 3,,結(jié)合了5G和Wi-Fi 6的“永遠在線”,存儲上的Optane Memory及Optane SSD,,無所不能的PC在英特爾技術(shù)的打造下正在浮出水面,,PC的世界依然相當(dāng)精彩。


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