《電子技術(shù)應(yīng)用》
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芯片技術(shù)突圍 3D封裝“續(xù)命”摩爾定律?

2022-03-13
來源:中國經(jīng)營報
關(guān)鍵詞: 芯片 3D 摩爾定律

芯片封裝環(huán)節(jié)的“雙芯疊加”技術(shù)最近備受業(yè)界關(guān)注,。

  引爆點是蘋果公司在3月9日凌晨推出的用于PC的M1 Ultral芯片,該芯片號稱是有史以來最強悍的芯片,,但該芯片實現(xiàn)性能提升的途徑不是制造工藝的提升,而是在封裝環(huán)節(jié)將兩個M1 Max通過內(nèi)部互連而成,。事實上,,在M1 Ultral推出之前,一家叫做Graphcore的英國AI公司,,也推出了新款A(yù)I處理器Bow IPU,。這兩款新品采用同一種封裝技術(shù)——3D Wafer-on-Wafer提升性能,這項技術(shù)來自于中國臺灣的臺積電,。

  事實上,,華為海思去年也曾經(jīng)被爆出“雙芯疊加技術(shù)”專利,通過芯片疊加并經(jīng)過系列優(yōu)化,,讓14納米芯片可以比肩7納米芯片的性能水平,。“X86雙雄”英特爾和AMD也曾經(jīng)推出過類似的產(chǎn)品,,但當(dāng)時存在功耗和發(fā)熱等方面的缺陷,。而蘋果M1 Ultral的推出并商用,似乎意味著通過“芯片疊加”在封裝環(huán)節(jié)大幅提升芯片性能的技術(shù)已趨成熟,。

  “晶圓工藝和封裝工藝協(xié)同結(jié)合,,是必然趨勢?!卑雽?dǎo)體研究機構(gòu)芯謀研究的研究總監(jiān)王笑龍這樣告訴《中國經(jīng)營報》記者,,“7納米已經(jīng)很先進,而3D封裝也是提升這個產(chǎn)品綜合指標(biāo)的一個重要手段,?!?/p>

  而接受記者采訪的多位業(yè)內(nèi)分析人士均指出,,隨著芯片制造工藝越來越逼近物理極限,摩爾定律逐漸失效,,依靠更先進的工藝來提升芯片性能將變得越來越困難,而3D等先進封裝技術(shù)對延續(xù)摩爾定律愈發(fā)重要,。

  “這個(Bow IPU)證明了先進封裝可以為性能帶來可觀提升,,先進封裝技術(shù),是大家探索超越摩爾定律的路徑之一,?!盙raphcore大中華區(qū)總裁兼全球首席營收官盧濤表示。

  先進封裝對芯片性能帶來可觀提升

  作為全球第一款3D封裝的處理器,,Bow IPU采用了臺積電SoIC-WoW技術(shù),,該技術(shù)以類似于3D NAND閃存多層堆疊那樣,將兩層die(裸片)以鏡像方式垂直堆疊起來,,以更先進的封裝技術(shù)提升芯片性能,。

  需要指出的是,這是一種用于硅晶圓的3D堆疊形式,,使得單個封裝芯片中的晶體管數(shù)突破了600億個大關(guān),。此外,Bow IPU的理論AI算力也從250 TeraFLOPS(每秒萬億次浮點運算)提升到了350 TeraFLOPS,。據(jù)Graphcore介紹,,總體而言,第三代IPU相對于上一代性能提高40%,,能耗比實現(xiàn)了16%的提升,。

  事實上,Bow IPU的堆疊并不算特別復(fù)雜,,主要負責(zé)計算,、存儲的IPU die位于下層,上方的die則主要為供電,、節(jié)能等方面的功能提供幫助,。盧濤曾這樣介紹Bow IPU的die設(shè)計:“這是個大小die的設(shè)計,大die是計算die,,小die主要做電源,、能耗等方面相關(guān)的管理?!?/p>

  盧濤表示,,Bow IPU整體性能提升一方面來自新增的die,另一方面則得益于3D封裝技術(shù),。那么,,Graphcore為何沒有選用更先進的工藝而選擇改變封裝方式,?

  對此,盧濤進一步指出,,上一代IPU已經(jīng)有了594億個晶體管,,面積大概為823平方毫米,這可能是7納米的單個die能生產(chǎn)的最精密芯片了,。如果想再提升,,不換工藝,就只能是換封裝,。

  “在經(jīng)過深入評估之后,,Graphcore認為,選擇更先進的工藝并不能像以前那樣獲得大幅度的性能提升,。而從成本收益角度看,,也不劃算。于是,,我們選擇了3D Wafer-on-Wafer作為芯片性能提升新方法,。正是得益于這個決定,使得我們新芯片即使面積稍有上升,,但成本與上一代比較相近,,最終讓我們可以以不變的價格交付新芯片?!北R濤說,。

  對此,電子創(chuàng)新網(wǎng)CEO張國斌也持有類似觀點,?!艾F(xiàn)在摩爾定律放緩,再往先進工藝演進的話,,成本投入太大,,不是一般公司能承受的,所以大家就認為延續(xù)摩爾定律的一個方法就是往2.5D和3D封裝的方向發(fā)展,?!彼赋觯珺ow IPU這個產(chǎn)品代表的不是一個小眾趨勢,,反而是一種大趨勢,,就是芯片以后要提升性能,可能會走2.5D/3D這種封裝形式,。

  張國斌表示,,對于晶圓級封裝技術(shù),不只是英特爾,、格芯,、臺積電,、三星等大的晶圓廠在研究,包括日月光等一些芯片封裝企業(yè)也在研究,,這對推動芯片的性能提升非常有好處,。

  商業(yè)場景落地和社區(qū)建設(shè)伴生而行

  公開資料顯示,作為一家人工智能硬件初創(chuàng)公司,,Graphcore于2016年正式成立,,IPU是該公司主要的技術(shù)成果,也是向外界傳播的概念,,官網(wǎng)宣稱IPU是一款專為AI計算而設(shè)計的全新處理器。

  長期關(guān)注半導(dǎo)體/芯片行業(yè)發(fā)展的資深觀察人士黃燁鋒表示,,在AI芯片領(lǐng)域,,Graphcore是全球最知名、最有實力的那批AI公司中的一個,,也是在中國市場投入比較大的初創(chuàng)企業(yè),。“這家公司做AI芯片相對較早,,勉強說引領(lǐng)發(fā)展趨勢也行,。不過,AI芯片的發(fā)展方向現(xiàn)在逐漸明朗化,,未來大家都會越做越像,。”他說,。

  黃燁鋒進一步指出,,諸如較大的片上存儲空間、高度并行計算能力,、跨芯片通信機制,、芯片具備弱可編程性等都是AI芯片未來發(fā)展的趨勢,而Graphcore的IPU是較早且在近存計算上頗具代表性的一類兼具可編程性的AI芯片,。

  落地難,,是AI行業(yè)的通病,雖然AI芯片一直在持續(xù)發(fā)展,,但落地的速度比預(yù)期的慢,。作為AI芯片行業(yè)的企業(yè),未來Graphcore將如何進一步發(fā)展以及加速商業(yè)化,,對于行業(yè)具有參考價值,。

  盧濤曾把現(xiàn)在的AI芯片公司分成七大類,第一類是在組建團隊的,,第二類是在宣講理念的,,第三類是有了芯片的,,第四類是有了芯片給客戶送測的,第五類是有落地的,,第六類是有很多場景落地的,,第七類是真正能夠跟GPU(圖形處理器)分市場份額的。

  “Graphcore目前處在第五至第六的階段,?!北R濤表示,要達到第七類,,Graphcore首先要做的是生態(tài)建設(shè),,二是持續(xù)耕耘開發(fā)者與研究者社區(qū)的建設(shè),三是與用戶和客戶保持充分的溝通,,建立緊密的聯(lián)系,。

  他還表示:“生態(tài)建設(shè)是一個持續(xù)的、需要花力氣,、花時間,、花精力、花巧勁的活兒,,因為用戶在選擇一個平臺的時候,,一是會很關(guān)注新的平臺能為自己帶來什么價值,二是會特別關(guān)注遷移到新的平臺所需要耗費的工作量,。生態(tài)建設(shè)越完備,、生態(tài)發(fā)展得越好,用戶的遷移成本就會越低,,也就是用戶在遷移到IPU時遇到的潛在阻力也會更小,。”

  其實,,Graphcore這一發(fā)展策略有著英偉達的影子,。“當(dāng)年GPU從專用的圖形處理器發(fā)展到后來可實現(xiàn)CUDA編程和應(yīng)用于AI之時,,就是英偉達將更多注意力轉(zhuǎn)向軟件,、工具,完善開發(fā)生態(tài)的過程,。像IPU這樣的AI處理器也必然經(jīng)歷這樣的過程,。”黃燁鋒說,,Graphcore現(xiàn)在的發(fā)展關(guān)鍵更在于生態(tài)構(gòu)建與實實在在的場景落地上,。

  對于公司的商業(yè)化進程,盧濤曾表示:“我很早就和CEO(Nigel Toon)聊過,,公司的第一優(yōu)先級是有人用我們的產(chǎn)品,;第二是有人用了這個產(chǎn)品,,服務(wù)他的業(yè)務(wù);第三是業(yè)績,;第四才是利潤?,F(xiàn)有順序不能弄錯,先得有人用你的東西,,才能談其他,。”


  如今,,這樣的順序依舊沒有變,。“商業(yè)場景落地和社區(qū)建設(shè)是相互支持,、伴生而行的,。針對商業(yè)客戶,我們需要開發(fā)者對平臺的支持,,開發(fā)者花費時間和精力將自己的業(yè)務(wù)遷移到IPU上,或基于IPU開發(fā)自己的業(yè)務(wù),。落地的場景越多,,越能推進其他商業(yè)用戶的跟進和加入,也能加快后續(xù)其他案例落地的速度,?!北R濤告訴記者。

  過去一年中,,Graphcore與升哲科技,、安捷中科、深勢科技等公司圍繞包括城市治理,、氣象以及分子動力學(xué)等領(lǐng)域開展合作,,還與金山云推出了基于Graphcore IPU平臺的服務(wù)器產(chǎn)品——金山云IPU服務(wù)器,用于AI任務(wù)在云端的訓(xùn)練和推理,,這也是中國首個大型公有云廠商對外公開推出自己的IPU云產(chǎn)品,。

  “我們會持續(xù)深耕本地的合作伙伴,在一些相關(guān)的AI應(yīng)用領(lǐng)域,,會做進一步的加深合作,,比如用AI輔助科研、自動駕駛等,,都是我們2022年在AI應(yīng)用和垂直領(lǐng)域中比較重要的方向,。”盧濤說,,持續(xù)落地更多應(yīng)用場景是商業(yè)化唯一的路徑,,“這里沒有捷徑可以走,。”




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