封装技术逐渐成熟,芯片技术将步入Chiplets时代

封装IC是最重要的工具，先进的封装方法可以显著提高IC性能。值得注意的是，这些技术中有许多已经足够成熟，并且已经存在了足够长的时间，现在甚至初创公司和大学都可以使用它们。

虽然这些技术已经被代工厂采用，但是最新最有前景的技术——chiplets还不成熟。英特尔的Ramune Nagisetty认为，要提高技术水平，目前缺少的是在高级封装中混合搭配硅元件，以创建更标准化的接口。这样做的目的是减少在这个生态系统中发挥作用的障碍。

作为美国先进半导体技术的最后堡垒之一，英特尔认为先进封装技术将是未来发展的关键技术之一。Nagisetty表示，英特尔对其每个封装载体都有一个技术路线图，就像它一直有一个工艺技术路线图一样。

封装在半导体行业一直是一个没有吸引力的领域，但大约在15年前，它开始登上舞台。封装技术可能会成为性能瓶颈，但稍加创新，不仅可以避免这一瓶颈，而且新的封装方法可以提高IC性能。

英特尔这样做已经有一段时间了。据Nagisetty介绍，为了提供异构芯片的高密度互连，英特尔在2008年提出了嵌入式多芯片互连桥接技术(EMIB)。

EMIB是2.5D技术的变种。2.5D封装常用的方法是使用硅夹层，硅夹层是两个芯片之间夹一层带孔的硅。Intel认为中间层太大，所以它的EMIB使用了一个有多个路由层的网桥。

Nagisetty:“新技术在使用之前需要一个临界点。”转折点是基于神经网络的人工智能架构。“这是非常重要的一点3354。说明了神经网络的可行性，封装中生成了加速器和高带宽内存3354，为封装中嵌入内存奠定了基础。”

英特尔在2014年首次发布了EMIB，声明该技术是2.5D封装的低成本替代方案。

现在传统半导体工艺的小型化技术越来越复杂和昂贵，像EMIB这种可以实现高性能芯片组的低成本高密度封装技术越来越重要。TSMC开发的集成扇出技术(InFO)也是解决方案之一，该技术已经应用于苹果iPhone的A系列处理器。

英特尔一直将EMIB的幕后技术列为“秘方”，包括使用的设备和创建芯片间简化桥梁的方法；然而，该公司打算将AIB变成一个标准接口，可以被任何封装技术使用，并连接到“小芯片”，从而创建一个可以支持自己产品的零件生态系统。

从历史上看，半导体行业的整体发展已经将越来越多的功能集成到芯片中，但对于一些先进的IC设计来说，这可能无法实现。

首先，一个公司不可能把一些应用需要的电路全部放在一个巨大的模具上。从生产的角度来看，模具的尺寸是有限的。

Nagisetty指出：“推动这一趋势的第二点是复用设计成本的上升和特定技术节点对IP可移植性的需求。”无论是对于移动设备还是高性能，逻辑技术都越来越专业化。在先进的集成电路设计中，几乎没有必要在同一技术节点上实现SerDes。更重要的是，可以定制某项技术(比如SerDes)作为技术节点。

Nagisetty举了Intel StraTIx FPGA的例子：有一个StraTIx FPGA菜单，在六个不同的技术节点上执行，可以从三个不同的工厂获得。“我认为StraTIx是第一个达到每秒58gb的产品。”“这使我们更具竞争力，并率先以高速SerDes进入市场。”

使用高级打包的第三个原因是获得敏捷性和灵活性。“对于不同的技术，小芯片在混合和匹配方面的价值越来越明显。”

Nagisetty表示，英特尔的Kaby Lake G和Lakefield产品就是两个很好的例子。

通过Kaby Lake G，我们将第三方IP集成到我们的包中，我们能够为高性能的移动游戏创建一个较小的形式。这里的第三方IP指的是AMD的镭龙加速器。

这是一个使用高级包装来提高最终使用性能的明显例子。

虽然英特尔和AMD是死对头，但在去年，双方出人意料地联合起来，共同推出了Kaby Lake-G系列处理器。Kaby Lake G采用英特尔的EMIB 2.5D方法，而Lakefield依靠的是die stack-3D stack。英特尔将其3D堆叠系统称为Foveros。它采用英特尔的CPU搭配AMD的镭龙显卡和HBM2内存，图形性能非常亮眼。但是Kaby Lake-G的市场化并不成功，现在英特尔已经决定停产这款A/I合作处理器。根据英特尔发布的通知，Kaby Lake-G系列将于10月7日起退役，2020年1月31日为最后订单日，2020年7月31日为最后出货日，之后将全面停产。

莱克菲尔德证明，先进的封装可以带来最小的X-Y引脚。“用户可以从性能或外观方面看到好处。

英特尔开发了一套丰富的封装技术，为了使事情变得更简单，它们可以混合和匹配。比如英特尔推出了“Co-EMIB”，是EMIB和Foveros的组合。

2019年，英特尔推出了两种更先进的封装变体，全向互联(ODI)。从架构上看，是EMIB和Foveros的下一步进化。英特尔能够将多个芯片堆叠在玻璃纤维衬底上，并且一个在另一个之上；和基底的凹陷和空腔。ODI由类似于EMIB的硅片组成，可以实现两个硅片之间的高密度布线(比如GPU和内存栈，或者SoC和核心逻辑)；和延伸到衬底作为硅芯片的凸起的铜电极。它将带来几个好处，包括通过硅通孔(tsv)向堆栈中的顶部芯片供电。

英特尔、TSMC和其他公司正在研究一种叫做铜-铜混合粘合的方法，这是堆叠技术的另一种变体。这可能会带来3D IC的革新，连接更多的DRAM芯片。这种组合被称为DRAM立方体。

我们是否有清晰的路径来持续改进这些封装技术，就像持续的生产过程节点总是被画出来一样？

Nagisetty:“我们的每个包装运营商都有一个技术路线图。”“所以，我们有一个中间层，可以降低通道高度。Foveros将达到25微米。粘合将从10微米开始，并逐渐减少。”

Kablake G的例子激发了芯片设计师的梦想，即混合和搭配来自不同供应商的功能，而不仅仅是一家供应商的功能。这是小芯片的关键概念。

从商业角度来看，小芯片方法是有意义的。芯片上高度集成的SoC的成本可能非常高。此外，这种高度集成的半导体系统的复杂性使得制造更具挑战性；更高的复杂性与产量损失直接相关。

国防高级研究计划局(DARPA)正在支持一项促进芯片市场的计划。DARPA对这项技术的看法是：

由于初始原型成本高以及对替代材料的要求，最先进的SoC的整体特性并不总是被国防部(DoD)或其他小批量应用所接受。为了提高下一代产品的整体系统灵活性和缩短设计时间，微电子通用功能集成和微电子知识产权产品(简称芯片)的再优化和利用计划试图建立一种新的IP重用范式。

芯片项目的主要目标是开发一种全新的技术框架，将当今电子产品中充满芯片的电路板压缩成一个小得多的集成“微芯片零件组”。该框架将把受知识产权保护的微电子模块及其功能集成到“微芯片部件”中。这些微芯片部件可以实现数据存储、信号处理、数据处理等功能。并且可以随意连接，像拼图一样组成“微芯片零件组”。

芯片项目有望催生更多的新技术产品，如更小的替代集成电路板、高带宽射频系统等需要高速数据转换和强大处理性能的紧密结合。通过集成各种处理和具有加速功能的“微芯片部件”，还可以获得一个快速的机器学习系统，能够从大量杂乱的数据中过滤出可用的数据指令。

与更复杂的SoC相比，使用小芯片可以显著降低成本。这张图片是AMD的苏姿丰在2017年IEDM大会上发表的一篇论文中提出的，并被开放计算项目复制。

《美国芯片法案》确实专门资助了高级封装研究，但没有专门提到DARPA的芯片计划。

Nagisetty表示，英特尔当然参与了DARPA的芯片项目。"StraTIx FPGA是其中的核心."

总的来说，芯片成功的关键是小芯片技术，它将创建一个更加标准化的接口，以便其他公司的芯片可以连接起来。

英特尔的另一项发明，——AIB接口总线技术

开发一个通用接口是一项艰巨的任务，因为要考虑的因素很多，而且不是所有的应用程序都要以同样的方式权衡利弊。在接口技术中要考虑的一些因素是成本、面积、每比特能量、带宽、等待时间、距离、可扩展性和在不同处理节点中实现的能力。幸运的是，在DARPA的支持下，英特尔通过git-hub的开源框架，使其高性能高级接口总线(AIB)被用于开放和自由地连接小芯片。这种接口可以提供任何竞争解决方案中最高的带宽和最低的每比特功耗，实现接近单芯片的互连性能。英特尔多年来一直在生产这种接口的产品，目前在Stratix 10 FPGA家族上提供这种接口，用于将小芯片连接到FPGA架构。随着英特尔在行业中的影响力和新兴联盟的采用，AIB有望成为小芯片互连标准。

Nagisetty:“我相信它将发展成为一个生态系统，创新将被开启。类似于开发电路板的方式。3354那里有PCI Express之类的东西。3354允许公司基于一个接口标准来构建产品。”

“在早期，有许多复杂的问题和商业模式需要解决，”她继续说道。但我喜欢人们可以参与到这个生态系统中来。以前壁垒很高。但是现在，一些初创企业和大学都参与进来了。"

然而，Nagisetty表示，如果有一个组织能够指导小芯片技术的标准创建，将会有很大的好处。开放计算项目(OCP)是一个试图填补这一空白的组织，他们提出的ODSA项目旨在创建小芯片之间的开放接口，以便将来自多个供应商的一流小芯片结合起来，创建定制产品。

OCP首先注意到，数据中心将不得不处理不断增加的新工作负载。目前，针对任何给定的新工作负载优化硅系统的最佳解决方案是创建SoC。然而，这是非常昂贵的。降低新兴工作负载的硅系统成本的一种方法是使用小芯片技术3354。这就是OCP参与小芯片的方式。

根据OCP的说法，不同的公司在开发小芯片技术时，至少在一定程度上依赖于内部开发的设计工具，所有小芯片接口都是专有的。“ODSA试图通过开放的生态系统市场来普及小芯片和SIP技术的发展，从而面对更大的大众市场。”