近些年,，以CPU和GPU為代表的處理器在應(yīng)用需求的推動(dòng)下，相關(guān)的設(shè)計(jì)、制造和封裝等技術(shù)都在發(fā)展變化當(dāng)中。封裝方面，雖然當(dāng)下的3D技術(shù)很熱,，但對于絕大多數(shù)處理器來說，2D和2．5D封裝技術(shù)仍是主流,，而傳統(tǒng)的MCM（Multi－Chip－Module,，多芯片模塊）煥發(fā)了第二春，各大CPU和GPU廠商都在大規(guī)模部署采用這種封裝技術(shù)的產(chǎn)品,。
MCM是一種由兩個(gè)及以上Die,，或者芯片尺寸封裝（CSP）的IC組裝在一個(gè)基板上的模塊，形成一個(gè)電子系統(tǒng)或子系統(tǒng)，基板可以是PCB,、陶瓷或硅片,。整個(gè)MCM可以封裝在基板上，也可以封裝在封裝體內(nèi),。MCM可以是便于安裝在電路板上的標(biāo)準(zhǔn)化封裝,，也可以是一個(gè)具備電子功能的模塊，它們都可直接安裝到電子系統(tǒng)中（PC,、儀器,、機(jī)械設(shè)備等）。
MCM可分為以下三種基本類型：
MCM－L：是采用片狀多層基板的MCM,，MCM－L是高密度封裝的PCB技術(shù),，適用于采用鍵合和FC工藝的MCM。MCM－L不適用于有長期可靠性要求和使用環(huán)境溫差大的場合,。
MCM－C：是采用多層陶瓷基板的MCM,，適于模擬電路、數(shù)字電路,、混合電路、微波器件等多種應(yīng)用,。
MCM－D：是采用薄膜技術(shù)的MCM,，MCM－D的基板由多層介質(zhì)、金屬層和基材組成,。介質(zhì)層要求薄,，金屬互連要細(xì)小，同時(shí)具備適當(dāng)?shù)幕ミB阻抗,。
MCM封裝的優(yōu)點(diǎn)可以概括為以下三點(diǎn)：1,、可大幅提高電路連線密度，提升封裝效率,；2,、可完成“輕、薄,、短,、小”的封裝設(shè)計(jì)；3,、可提升封裝的可靠性,。
近些年，SiP封裝技術(shù)深入產(chǎn)業(yè)人心,，那么,，MCM與它相比如何呢？實(shí)際上，芯片封裝技術(shù)的發(fā)展是不斷進(jìn)步和創(chuàng)新的過程,，是對原有技術(shù)的整理,、迭代、創(chuàng)新和再發(fā)展,，MCM和SiP也是如此,。MCM是在各種高密度多層基板上封裝，主體是Die,，制成部件的電路一般較為復(fù)雜,，因此，MCM是一種高級混合集成技術(shù),。SIP的市場規(guī)模和增長空間比MCM大,，SIP是MCM進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物，是芯片和元器件在不同工作頻段的高密度組裝和互連,。MCM主要通過將各種Die堆疊連接,，元器件較少，通常以數(shù)字芯片,、存儲器為主,，而SIP可封裝不同制程工藝、不同功能的芯片,，芯片之間可進(jìn)行信號的存取和交換,，從而實(shí)現(xiàn)一個(gè)系統(tǒng)目標(biāo)產(chǎn)品的全部互連、功能和性能,。
可見,，相對而言，SiP比MCM先進(jìn),，但這并不影響后者被越來越多的CPU和GPU廠商采用,。因此，成熟的技術(shù)并不一定不如先進(jìn)技術(shù),，這與近些年成熟制程節(jié)點(diǎn)技術(shù)火爆,，產(chǎn)能供不應(yīng)求的局面有異曲同工之妙。
MCM CPU大行其道
對于CPU而言,，MCM并不是新技術(shù),，早在1995年，英特爾推出Pentium Pro時(shí),，就曾采用MCM封裝技術(shù),，用以提升處理器執(zhí)行效能。2005年,，發(fā)布新款Pentium D和Xeon 5000系列CPU時(shí),，也都采用了MCM封裝技術(shù),，當(dāng)時(shí)是業(yè)界首款雙核CPU。
不過,，過去十幾年,，主流多核CPU更多采用原生多核設(shè)計(jì)，直到近幾年,，原生多核設(shè)計(jì)CPU的核心數(shù)量很難有更高增長,，使得MCM封裝技術(shù)重新嶄露頭角。
目前來看,，越來越多新一代多核CPU開始采用MCM封裝,。2018年前后，AMD在設(shè)計(jì)64核服務(wù)器CPU時(shí),，就采用了該技術(shù),。AMD的這一設(shè)計(jì)是領(lǐng)先英特爾的，價(jià)格只是競爭對手Xeon處理器的一半,，而且還更省電,。做到這一點(diǎn)，是因?yàn)锳MD采取了“老設(shè)計(jì),，新制程”策略,，“老設(shè)計(jì)”就是已經(jīng)很成熟的MCM封裝技術(shù)，“新制程”則是采用當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的7nm制程,，以提高核心密度,。近兩年，AMD將該思路進(jìn)一步拓展,，也就是當(dāng)下最為火爆的Chiplet及其封裝技術(shù)。
對于CPU,，特別是服務(wù)器CPU廠商來說,，多核產(chǎn)品已經(jīng)是標(biāo)配，因?yàn)樗粌H功耗更低,，良率也能提高不少,。采用MCM封裝設(shè)計(jì)，廠商在設(shè)計(jì)多核CPU時(shí),，不用非要將所有核都放入單一晶粒,，而是可以設(shè)計(jì)成多晶粒架構(gòu)，也就是將一個(gè)大核分拆成多個(gè)小核,，封裝在多個(gè)晶粒里,，再整合成單一CPU。與原生多核設(shè)計(jì)相比,，采用MCM封裝設(shè)計(jì)的多核CPU,，核數(shù)可以實(shí)現(xiàn)突破性增長,，甚至翻倍，這也是近些年AMD服務(wù)器CPU市場規(guī)?？焖僭鲩L的一個(gè)原因,。
不止AMD，原本主張?jiān)嗪嗽O(shè)計(jì)的英特爾,，也不得不做出妥協(xié),，近些年在設(shè)計(jì)新款多核CPU時(shí)，重新采用MCM封裝,，以實(shí)現(xiàn)更多核心數(shù)量和更高效能,。
2019年發(fā)布第十代HEDT高端桌面處理器之后，英特爾已有兩年多沒推出HEDT新品,，最新消息顯示,，該公司可能在2022下半年推出Golden?Cove高性能核心HEDT產(chǎn)品，主要是Sapphire?Rapids－AP,。
在最近泄露的Xeon CPU基準(zhǔn)測試中,，消息人士表示，英特爾正在醞釀Sapphire?Rapids－AP新陣容,，其中“AP”曾被用于使用MCM封裝的旗艦級Cascade?Lake－AP產(chǎn)品線,。Sapphire?Rapids－SP系列已采用過4組MCM設(shè)計(jì)，每個(gè)芯片最多有15個(gè)核,，Sapphire?Rapids－SP被視作“AP”的衍生版本,。有消息稱，HEDT產(chǎn)品線雖然針對臺式機(jī)市場,，但英特爾更傾向于將其投放到工作站市場,。作為采用MCM封裝的產(chǎn)品，Sapphire?Rapids系列包含許多款SKU,，旗艦款的熱設(shè)計(jì)功耗可輕松突破350W,。
近幾年，蘋果正在爭奪英特爾和AMD的CPU市場,，特別是筆記本電腦,，蘋果在較短時(shí)間內(nèi)取得了不錯(cuò)的業(yè)績。該公司設(shè)計(jì)的CPU同樣看中了MCM封裝設(shè)計(jì),。2021年12月,，有業(yè)內(nèi)人士展示了M1 Max芯片底部的隱藏部分，如下圖所示,，所展示的就是MCM,，蘋果采用該封裝設(shè)計(jì)的主要目的是將多個(gè)Die堆疊在一起，從而大大增加CPU和GPU內(nèi)核數(shù)量,。
GPU跟進(jìn)
隨著GPU在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用越來越普及,，原本用于CPU的MCM封裝技術(shù)開始向GPU領(lǐng)域滲透,，特別是高性能計(jì)算，在業(yè)界受到了越來越多的關(guān)注,。
傳統(tǒng)顯卡是帶有多個(gè)GPU的PCB板卡,，需要連接兩個(gè)獨(dú)立顯卡的Crossfire或SLI橋接器。傳統(tǒng)的SLI 和 CrossFire需要 PCIe 總線來交換數(shù)據(jù),、紋理,、同步等。由于GPU之間的渲染時(shí)間會產(chǎn)生同步問題,，因此在許多情況下,，傳統(tǒng)的雙GPU顯卡，即單個(gè)PCB上的兩個(gè)芯片由它互連,，每個(gè)芯片都有自己的VRAM,。SLI或CrossFire的能耗很大，冷卻也是一個(gè)挑戰(zhàn),，這些在很長一段時(shí)間內(nèi)都困擾著工程師,。MCM是一個(gè)單獨(dú)封裝，其板載橋接器取代了傳統(tǒng)兩個(gè)獨(dú)立顯卡之間的Crossfire或SLI橋接器,。在高性能計(jì)算應(yīng)用領(lǐng)域,，這種采用MCM封裝的GPU優(yōu)勢明顯。
最早將MCM封裝技術(shù)引入GPU的是AMD,。2020年,，該公司把游戲卡與專業(yè)卡的GPU架構(gòu)分家了，游戲卡的架構(gòu)是RDNA,，而專業(yè)卡的架構(gòu)是CDNA,，首款產(chǎn)品是Instinct MI100系列。2021年,，AMD的Q2財(cái)報(bào)確認(rèn)CDNA 2 GPU已經(jīng)向客戶發(fā)貨了,，其GPU核心代號是Aldebaran，它成為該公司首款采用MCM封裝的產(chǎn)品,。在PC方面,，2022年引入下一代RDNA 3架構(gòu)后,，基于MCM的消費(fèi)級Radeon GPU也會出現(xiàn),。
制造多芯片計(jì)算 GPU 類似于制造多核 MCM CPU，例如Ryzen 5000或Threadripper處理器,。首先,，將芯片靠得更近可以提高計(jì)算效率。AMD 的 Infinity 架構(gòu)確保了高性能互連,，有望使兩個(gè)芯片的效率接近一個(gè)的,。其次,，使用先進(jìn)的工藝技術(shù)批量生產(chǎn)多個(gè)小芯片比大芯片更容易，因?yàn)樾⌒酒ǔＨ毕葺^少,，因此比大芯片的產(chǎn)量更好,。
不久前，AMD發(fā)布了基于RDNA 3架構(gòu)的GPU,，也就是Radeon RX 7000,，該系列最新顯卡有三款GPU，分別是Navi 31,、Navi 32和Navi 33,，其中，Navi 31和Navi 32將采用MCM封裝,。
GPU大廠英偉達(dá)也在跟進(jìn)MCM封裝,。
目前，英偉達(dá)在MCM封裝GPU上的方案稱為“Composable On Package GPU”（COPA）,。COPA GPU架構(gòu)具有混合／匹配多個(gè)硬件塊能力,，它能更好地適應(yīng)當(dāng)今高性能計(jì)算的動(dòng)態(tài)工作負(fù)載和深度學(xué)習(xí)環(huán)境。這種整合更適應(yīng)多種類型工作負(fù)載,，可帶來更高水平的GPU復(fù)用,。
面向數(shù)據(jù)中心和消費(fèi)市場，英偉達(dá)分別推出了基于Hopper架構(gòu)和Ada Lovelace架構(gòu)的GPU,。據(jù)悉,，該公司只會在Hopper架構(gòu)GPU上采用MCM技術(shù)，Ada Lovelace架構(gòu)GPU仍會保留傳統(tǒng)的封裝設(shè)計(jì),。
作為英偉達(dá)第一款基于MCM技術(shù)的GPU,，Hopper架構(gòu)產(chǎn)品將采用臺積電5nm制程工藝，支持HBM2e和其它連接特性,，競爭對手是AMD的CDNA 2架構(gòu)產(chǎn)品,，以及英特爾的Xe－HP架構(gòu)GPU。
在獨(dú)立顯卡GPU的研發(fā)方面,，英特爾落后了不少,，看到英偉達(dá)在GPU市場呼風(fēng)喚雨，英特爾坐不住了,，近些年在這方面大力投入,，以期趕上產(chǎn)業(yè)步伐。而在MCM封裝GPU方面,，該公司也有了新動(dòng)作,。
不久前，英特爾公布新專利,，描述了多個(gè)計(jì)算模組如何協(xié)同工作執(zhí)行圖像渲染,，表示該公司GPU將采用MCM封裝設(shè)計(jì),。在新專利中，英特爾提出GPU圖像渲染解決方案,，將多芯片整合至同一單元,，解決制造和功耗等問題，同時(shí)優(yōu)化可擴(kuò)展性和互聯(lián)性,。
據(jù)悉,，英特爾整合了運(yùn)算模組的棋盤格式渲染，還有分布式運(yùn)算,，使多芯片設(shè)計(jì)GPU有更高的運(yùn)算效率,。雖然該公司沒有對架構(gòu)細(xì)節(jié)做深入描述，但估計(jì)搭載MCM封裝GPU的Intel Arc顯卡離我們不遠(yuǎn)了,。
綜上,，無論是CPU，還是GPU,，各大廠商都越來越多地采用了MCM封裝技術(shù),，掀起了一波“復(fù)古”熱潮。
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