Chiplet先进封装革新,华为/AMD/Apple巨头全面布局

智能计算芯世界 2022-08-17 00:00


导读:Chiplet是在摩尔定律趋缓下的半导体工艺发展方向之一。与传统的 SoC 方案相比,Chiplet 模式具有设计灵活性、成本低、上市周期短三方面优势。近年巨头纷纷推出相关产品,如华为鲲鹏 920,AMD 的 Milan-X 及苹果 M1 Ultra 等。

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UCIe白皮书(终版)
Chiplet:延续摩尔定律的新技术,芯片测试与先进封装有望获益
Chiplet:延续摩尔定律—先进制程替代之路
《Chiplet接口和标准介绍》
1、小芯片(Chiplet)接口标准.pdf
2、为什么chiplet需要标准.pdf
《全球OCP峰会Chiplet资料汇总》

Chiplet是在摩尔定律趋缓下的半导体工艺发展方向之一。但随着工艺迭代至 7nm、5nm、3nm 及以下,先进制程的研发成本及难度提升,开发先进制程的经济效益逐渐受到质疑。后摩尔定律时代的主流晶片架构 SoC (系统单晶片)推动摩尔定律继续向前发展,将多个负责不同运算任务的元件集成于单一晶片上,用单个晶片实现完整功能,各功能区采用相同制程工艺。

总的来说,Chiplet 是一种将多种芯片(如 I/O、存储器和 IP 核)在一个封装内组装起来的高性能、成本低、产品上市快的解决方案。

Chiplet 方案对封装工艺提出了更高的要求。Chiplet 与 SiP 相似,都是进行不同元件间的整合与封装,而 Chiplet 的各裸芯片之间是彼此独立的,整合层次更高,不集成于单一晶圆片上,Chiplet 目前封装方案主要包括 2.5D 封装、3D 封装、MCM 封装等类型。Chiplet 的封装方案要实现各裸芯片之间的互联,同时也要保障各部分之间的信号传输质量。


国际巨头成立 UCIe 产业联盟促进互联协议标准。Chiplet 模式需要实现各家芯片的互联,如何界定互联标准是重要问题。2020 年英特尔在加入美国 CHIPS 联盟后,曾免费提供 AIB 互连总线接口许可以支持 Chiplet 生态系统建设,但其他厂商由于顾虑该接口许可需要使用英特尔自家的先进封装技术 EMIB,所以最后该标准没有普及使用。英特尔、AMD、Arm、高通、三星、台积电、日月光、Google Cloud、Meta、微软等大厂于 2022年 3 月 UCIe 产业联盟,旨在建立统一的 die-to-die 互联标准,这促进了 Chiplet 模式的应用发展。经梳理我们认为,国际巨头成立的 UCIe 联盟将对 Chiplet 互联标准统一起到重要推动作用,Chiplet 方案发展将加快。


与传统的 SoC 方案相比,Chiplet 模式具有设计灵活性、成本低、上市周期短三方面优势,使得该方案成为半导体工艺重要发展方向。


Chiplet 模式可以自由选择不同分区的工艺节点。传统的 SoC 芯片在制造上必须选择相同的工艺节点,然而不同的芯片的工艺需求不同。如逻辑芯片、模拟芯片、射频芯片、存储器等往往成熟制程节点是不同的,模拟芯片如果采用高级制程可能会导致漏电、噪声等问题,SoC 芯片统一采用相同的制程则会造成一定的麻烦。而 Chiplet 模式则可以自由选择不同裸芯片的工艺,然后通过先进封装来进行组装,相比 SoC 则更具灵活性,优势明显。


Chiplet 模式有利于提高良率,降低制造降低成本。传统 SoC 架构会增大单芯片面积,这会增大芯片制造过程中的难度,由缺陷密度带来的良率损失会增加,从而导致 SoC 芯片的制造成本提升。而 Chiplet 方案将大芯片分为多个裸芯片,单位面积较小,相对而言良率会有所提升,从而降低其制造成本。


Chiplet 模式可以实现产品重复使用,缩短产品上市周期。由于 SoC 方案采用统一的工艺制程,导致 SoC 芯片上的各部分要同步进行迭代,这使得 SoC 芯片的迭代进程放缓。Chiplet 模式可以对芯片的不同单元进行选择性迭代,迭代部分裸芯片后便可制作出下一代产品,大幅缩短产品上市周期。


1、华为:首推 7nm Chiplet 云服务器方案

华为推出基于 Chiplet 技术的 7nm 鲲鹏 920 处理器。华为推出的鲲鹏 920 是业界领先的 ARM-based 处理器,根据公司官网消息该处理器采用 7nm 制造工艺,基于 ARM 架构授权,由华为公司自主设计完成,通过优化分支预测算法、提升运算单元数量、改进内存子系统架构等一系列微架构设计,大幅提高处理器性能。该处理器创建了相干缓存子系统以将多核集成到单个小芯片中,同时开发了专用并行小型 IO 块,以实现二维封装解决方案的高带宽芯片间连接。



2、AMD:联手台积电推出 3D Chiplet 方案

AMD 联手台积电推出 3D Chiplet 产品。AMD 于 2021 年 6 月发布了基于 3D Chiplet技术的 3D V-Cache,该技术使用的是台积电的 3D Fabric 先进封装技术,将包含 64MB L3 Cache 的 Chiplet 以 3D 堆叠的形式与处理器进行了封装。



2022 年 3 月 AMD 推出了 Milan-X霄龙处理器,该处理器是基于 Milan 的第三代处理器 EPYC 7003 的升级版本,通过使用AMD 的 3D V-Cache 堆叠技术实现了 768 MB 的 L3 缓存。Milan-X 是一个包含 9 个小芯片的 MCM,其中包括 8 个 CCD 裸片和 1 个大型 I/O 裸片。


3、苹果:双 M1 Max 互连缔造高性能方案

苹果推出采用台积电 CoWos-S 桥接工艺的 M1 Ultra 芯片,实现性能飞跃。苹果 2022年3月发布的M1 Ultra芯片采用了独特的 UltraFusion 芯片架构,借助台积电的CoWos-S技术,通过两枚 M1 Max 晶粒的内部互连,实现了性能的飞跃。



Chiplet 目前封装方案主要包括 2.5D 封装、3D 封装、MCM 封装等类型。2.5D 封装将多个芯片并列排在中介层(Interposer)上,经由微凸块(Micro Bump)连结,让内部金属线连接芯片间的电子讯号,再通过矽穿孔(TSV)来连结下方的金属凸块(Solder Bump),再通过导线载板连结外部金属球,实现各部件之间紧密的连接。3D 封装则直接将各芯片进行堆叠,在芯片制作电晶体(CMOS)结构,并直接使用矽穿孔来连结芯片间的电子讯号。



国际厂商积极布局 Chiplet 封装。目前 Intel、TSMC、Samsung 等多家公司均创建了自己的 Chiplet 生态系统,积极抢占 Chiplet 先进封装市场。


Intel 推出 3D 堆叠异构系统集成技术 Foveros 与嵌入式多芯片互联桥接技术 EMIB。该封装技术采用 3D 堆栈来实现逻辑对逻辑的集成,为设计人员提供了极大的灵活性,从而在新设备外形要素中混搭使用技术 IP 块与各种内存和输入/输出元素。



产品可以分成更小的小芯片 (Chiplet) 或块 (tile),其中 I/O、SRAM 和电源传输电路在基础芯片中制造,高性能逻辑小芯片或块堆叠在顶部。


TSMC 推出的 3D Fabric,搭载了 3D Silicon Stacking 和 CoWoS、InFO 等先进封装技术。台积电的3DFabric系列技术包括2D和3D前端和后端互连技术,前端技术TSMC-SoIC使用 3D 硅堆叠所需的尖端硅晶圆厂的精度和方法,包括晶圆芯片(CoW)和晶圆对晶圆(WoW)芯片堆栈技术,允许相似和不同芯片的 3D 堆栈提供多种功能,包括通过增加运算核心数量来提高运算能力、堆栈式内存可提供更多内存和更高的带宽、通过深沟式电容改善功率传输。



台积电还拥有多个专属的后端晶圆厂,这些晶圆厂可以组装和测试包括 3D 堆栈芯片在内的硅芯片,并将其加工成封装后的装置。台积公司 3D Fabric 的后端工艺包括 CoWoS 和 InFO 系列的封装技术。


UCIe联盟为Chiplet 指定了多种先进封装技术,包括英特尔EMIB、台积电CoWoS、日月光FoCoS-B等。Chiplet虽然避免了超大尺寸 die,但同时也意味着超大尺寸封装,又高度融合晶圆后道工艺,更在封装方面带来了极限技术挑战,如封装加工精度和难度进一步加大,工艺窗口进一步变窄,通用设备比例降低,设备升级需求大等。除此之外,散热和功率分配也是需要考虑的巨大问题。目前头部的 IDM 厂商、晶圆代工厂以及封测企业都在积极推动不同类型的先进封装技术,以抢占这块市场。

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Chiplet:延续摩尔定律的新技术,芯片测试与先进封装有望获益

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