多年來，封裝技術(shù)并未受到大眾的廣泛關(guān)注。但是現(xiàn)在，尤其是在AI芯片的發(fā)展過程中，封裝技術(shù)發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。2.5D封裝以其高帶寬、低功耗和高集成度的優(yōu)勢，成為了AI芯片的理想封裝方案。
在2.5D封裝領(lǐng)域，英特爾的EMIB和臺積電的CoWoS是兩大明星技術(shù)。眾所周知，臺積電的CoWoS產(chǎn)能緊缺嚴重制約了AI芯片的發(fā)展，這正是英特爾EMIB技術(shù)可以彌補的地方。本文我們將以英特爾EMIB為例，深入解析2.5D封裝之所以能成為AI芯片的寵兒的原因。
為何EMIB是AI領(lǐng)域的理想選擇?
2.5D封裝并不是一個全新的概念，但它在AI芯片領(lǐng)域的應(yīng)用卻煥發(fā)出了新的生命力。簡單來說，2.5D封裝是一種通過硅中介層(Silicon Interposer)或嵌入式橋接技術(shù)(如英特爾的EMIB)將多個芯片水平連接起來的技術(shù)。與傳統(tǒng)的2D封裝相比，它允許在單一封裝內(nèi)集成更多功能單元，比如CPU、GPU、內(nèi)存(HBM)和I/O模塊;而與復(fù)雜的3D堆疊相比，它又避免了過高的制造難度和熱管理挑戰(zhàn)。這種“不上不下的中間狀態(tài)”恰恰為AI芯片提供了完美的平衡。
AI芯片的一個顯著特點是需要高帶寬和低延遲的芯片間通信。例如，訓(xùn)練一個深度學(xué)習(xí)模型時，GPU需要與高帶寬存儲器(HBM)快速交換數(shù)據(jù)，而傳統(tǒng)的封裝技術(shù)往往受限于互連帶寬和功耗。2.5D封裝通過在芯片間引入高密度互連通道，顯著提升了數(shù)據(jù)傳輸效率，同時保持了相對簡單的制造流程。這使得它特別適合AI加速器和數(shù)據(jù)中心處理器等高性能應(yīng)用。
“我經(jīng)常被問到一個問題：為什么EMIB是AI領(lǐng)域的理想選擇?是什么讓這項技術(shù)對這些應(yīng)用如此適合?”英特爾先進系統(tǒng)封裝與測試事業(yè)部副總裁兼總經(jīng)理Mark Gardner表示。他通過一張圖詳細解析了EMIB作為AI加速器理想封裝技術(shù)的優(yōu)勢，并總結(jié)了EMIB的五大關(guān)鍵優(yōu)勢：
第一，成本更低。EMIB采用小型硅橋連接芯片，一個晶圓上就能生產(chǎn)數(shù)千個橋接單元，極大提高了利用率。相比之下，傳統(tǒng)晶圓級封裝在制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)(如含12個HBM堆疊和多個光罩芯片的大型封裝)時，成品率低且浪費嚴重。而EMIB不僅提升了良率，還能在HBM數(shù)量增加時，展現(xiàn)出成本優(yōu)勢的指數(shù)級增長。
第二，更高良率。與其他2.5D技術(shù)相比，EMIB減少了復(fù)雜的工藝步驟。傳統(tǒng)晶圓級封裝需要“芯片對晶圓”(Chip-on-Wafer)流程，涉及模具、凸點等多重工序，增加了出錯風(fēng)險。EMIB簡化了這些步驟，自然帶來了更高的生產(chǎn)穩(wěn)定性。
第三，更快生產(chǎn)周期。更少的工藝步驟不僅提升良率，還縮短了生產(chǎn)時間。與動輒數(shù)天的傳統(tǒng)流程不同，EMIB能將周期縮短數(shù)周。在AI市場瞬息萬變、上市時間至關(guān)重要的背景下，提前幾周拿到加電測試數(shù)據(jù)、硅片驗證數(shù)據(jù)對客戶意義重大。
第四，更強擴展性。EMIB將硅橋嵌入基板，而基板制造通?；诖笮头叫蚊姘?。這種設(shè)計大幅提高了基板利用率，特別適合需要集成更多HBM或復(fù)雜工作負載的大型封裝。對于AI客戶來說，這意味著更強的適應(yīng)性和性能潛力。
第五，為客戶提供更多選擇。英特爾代工致力于為客戶提供多樣化的選項。市場上已有既定的行業(yè)解決方案，而EMIB技術(shù)為客戶提供了一種替代方案。在某些情況下，客戶可以選擇多源供應(yīng)，也可以選擇單一來源，關(guān)鍵是EMIB為他們提供了靈活性和選擇權(quán)。EMIB技術(shù)已經(jīng)在生產(chǎn)中應(yīng)用了近十年，擁有成熟的供應(yīng)鏈。這些因素共同構(gòu)成了EMIB作為AI領(lǐng)域(尤其是加速器)理想平臺的原因。
近年來，2.5D封裝產(chǎn)能一直面臨限制，特別是在某些市場需求不斷增長的情況下，封裝產(chǎn)能不足問題愈發(fā)顯著。然而，英特爾的EMIB技術(shù)在這一領(lǐng)域具有明顯的產(chǎn)能優(yōu)勢。通過結(jié)合Foveros 2.5D和EMIB 2.5D，英特爾的綜合產(chǎn)能已經(jīng)超過行業(yè)水平的兩倍，對于那些擔(dān)心需求波動或增長無法得到滿足的客戶，英特爾的解決方案無疑具有巨大的吸引力。據(jù)英特爾透露，AWS和Cisco在數(shù)據(jù)中心服務(wù)器和AI加速器產(chǎn)品領(lǐng)域就采用了英特爾的先進封裝技術(shù)。
英特爾領(lǐng)銜封裝技術(shù)數(shù)十年
作為封裝技術(shù)的先鋒，英特爾在過去五十多年里一直處于行業(yè)領(lǐng)先地位。從早期的引線鍵合架構(gòu)(Wire-Bond)到倒裝陶瓷芯片(Flip-Chip Ceramic)和多芯片(Multi-Chip)封裝技術(shù)，英特爾不斷推動封裝技術(shù)的發(fā)展。如今，它通過與生態(tài)系統(tǒng)伙伴合作制定標準，帶領(lǐng)整個行業(yè)邁入先進封裝的新時代，包括2.5D、3D乃至3.5D技術(shù)。以英特爾EMIB 2.5D為例，其首個產(chǎn)品已量產(chǎn)近十年，這些成果并非一蹴而就，而是長期積累的結(jié)晶。
目前，英特爾代工提供了一套完整的先進封裝產(chǎn)品組合，滿足從低成本到高性能的多樣化需求：
首先，成本低廉的FCBGA。FCBGA(Flip-Chip Ball Grid Array)分為兩種版本：FCBGA 2D和FCBGA 2D+。FCBGA 2D是傳統(tǒng)的有機封裝技術(shù)，至今仍在量產(chǎn)。它成本低廉，適合I/O需求少、不需要高速連接的產(chǎn)品，是許多細分市場的理想選擇。而FCBGA 2D+在FCBGA 2D基礎(chǔ)上加入了基板層疊技術(shù)(Substrate Stacking)，針對主板連接尺寸大但芯片復(fù)雜度不高的場景，能有效降低客戶為高密度基板支付的額外成本。這種技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)和交換設(shè)備領(lǐng)域尤其受歡迎。
接著，EMIB系列主打高性能。EMIB(嵌入式多芯片互連橋接)包括EMIB 2.5D和EMIB 3.5D兩種。EMIB 2.5D通過基板中的微型硅橋連接單層芯片或HBM堆疊，實現(xiàn)高密度、低功耗的芯片間通信。雖然它也用于消費類產(chǎn)品，但在AI和高性能計算(HPC)領(lǐng)域表現(xiàn)尤為出色。EMIB 3.5D與EMIB 2.5D類似，都采用嵌入基板中的硅橋技術(shù)。不同之處在于EMIB 3.5D引入了3D堆疊技術(shù)，將芯片疊放在有源或無源基板上。這不僅保留了EMIB的連接優(yōu)勢，還增加了垂直堆疊的靈活性。某些IP更適合垂直堆疊，而不是水平連接。此外，由于封裝的復(fù)雜度較高，客戶希望利用EMIB技術(shù)將這些堆疊連接起來，而不是使用大型的無源或有源中介層。
最后則是Foveros技術(shù)，F(xiàn)overos技術(shù)分為Foveros 2.5D和Foveros 3D。Foveros 2.5D采用焊料連接芯片與晶圓，適合將高速I/O與小型芯片組分離的場景。而Foveros Direct則使用銅-銅直接鍵合，提供最高帶寬和最低功耗的互連，性能無可匹敵。在AI和HPC應(yīng)用中，這些技術(shù)還能靈活組合——比如Foveros Direct 3D搭配HBM，再融入EMIB 3.5D，形成一個多技術(shù)融合的封裝方案。
英特爾代工的新招
半導(dǎo)體行業(yè)正迎來一個全新的發(fā)展階段，傳統(tǒng)的芯片設(shè)計與制造模式已不足以應(yīng)對AI和高性能計算帶來的復(fù)雜需求。在這一轉(zhuǎn)型期，系統(tǒng)級代工廠(Systems Foundry)和系統(tǒng)技術(shù)協(xié)同優(yōu)化(System Technology Co-Optimization)的重要性日益凸顯。作為代工廠或服務(wù)提供商，英特爾認為，通過這些協(xié)同優(yōu)化策略，可以更好地滿足客戶需求，打造更強大的產(chǎn)品。
在這一背景下，英特爾不僅專注于傳統(tǒng)封裝技術(shù)，還擴展到了系統(tǒng)級架構(gòu)和設(shè)計服務(wù)。比如，熱建模與優(yōu)化、功耗建模與優(yōu)化，這些都是英特爾多年來與內(nèi)部產(chǎn)品部門合作積累的技術(shù)成果，并廣泛應(yīng)用到各種產(chǎn)品中。一個典型的例子是幾年前推出的英特爾數(shù)據(jù)中心 GPU Max 系列。這款產(chǎn)品把近50塊芯片集成到一個封裝里，這些芯片基于五種不同的制造工藝，有些來自英特爾，有些來自第三方代工廠。要實現(xiàn)這樣的產(chǎn)品，光靠技術(shù)本身還不夠，還需要硅芯片與封裝的協(xié)同設(shè)計，再加上熱管理、功率傳輸?shù)拳h(huán)節(jié)的優(yōu)化，才能讓這么多芯片在一個封裝里高效工作。
說到復(fù)雜封裝，英特爾還在細節(jié)上下足了功夫。比如在大型封裝中，芯片和基板可能會因為尺寸大而出現(xiàn)翹曲問題。英特爾通過優(yōu)化工藝流程和主板設(shè)計，解決了這些翹曲邊緣的管理問題，確保即使在高復(fù)雜度下，產(chǎn)品性能依然穩(wěn)定可靠。
當然，好封裝離不開好測試。芯片測試是確保封裝質(zhì)量的關(guān)鍵一環(huán)，尤其是要保證進入封裝的芯片都是“已知良品”(Known Good Die，簡稱KGD)。如果一個封裝里只有一塊芯片，測試還算簡單。但像現(xiàn)在這樣，一個封裝可能包含50塊不同功能的芯片，比如GPU、I/O單元和HBM堆疊，只要有一塊壞芯片，整個封裝就可能報廢。所以，提前檢測出問題芯片，避免浪費其他好芯片，顯得特別重要。
為此，英特爾開發(fā)了“裸片測試”(Die Sort)技術(shù)，這項技術(shù)已經(jīng)在生產(chǎn)中用了十多年。它的做法是先把整片晶圓切成單個裸片，然后在組裝到基板之前進行測試。因為裸片很小，熱量控制非常精準，甚至可以在1秒內(nèi)讓溫度變化100攝氏度。這種高精度的測試能提前發(fā)現(xiàn)缺陷，比如GPU或計算單元的問題，從而提高生產(chǎn)效率和良率。過去，這種提前檢測已經(jīng)很有價值，但現(xiàn)在，當一個封裝的材料和芯片成本高達幾千美元時，它的重要性就更加凸顯了。尤其在如今的產(chǎn)品中，可能包含10片、20片甚至50片芯片，良品管理成了重中之重。通過在制造的早期加入測試環(huán)節(jié)，英特爾能確保每一步都用的是好芯片，避免后期更大的損失。
與此同時，英特爾的代工服務(wù)也在變得更靈活。Mark Gardner提到，客戶現(xiàn)在可以根據(jù)需要自由選擇服務(wù)：比如只用英特爾的EMIB封裝技術(shù)，芯片則交給其他代工廠生產(chǎn);或者只用英特爾的裸片測試能力。這種“按需定制”的模式也延伸到了晶圓制造層面，讓客戶能專注于對自己最重要的環(huán)節(jié)，獲得最有價值的服務(wù)。
英特爾已完成超過250個2.5D設(shè)計項目，涵蓋消費電子、FPGA、服務(wù)器數(shù)據(jù)中心和AI加速器等多領(lǐng)域應(yīng)用，2.5D技術(shù)已廣泛投入生產(chǎn)。英特爾還提供增值服務(wù)，幫助客戶優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計，包括硅與封裝協(xié)同設(shè)計、功率傳輸、熱管理等方面，憑借豐富的經(jīng)驗與技術(shù)積累，協(xié)助客戶提升產(chǎn)品性能。
值得一提的是，英特爾還跟其他代工廠，比如臺積電和三星，保持長期合作。他們制定了兼容的設(shè)計規(guī)則，確保這些代工廠生產(chǎn)的晶圓能無縫適配英特爾的封裝技術(shù)。這不僅給了客戶更多選擇，也讓不同供應(yīng)商的技術(shù)能自由組合，滿足多樣化的市場需求。
未來展望：更大封裝與玻璃基板的應(yīng)用
展望未來，英特爾正在積極推動封裝技術(shù)的進一步發(fā)展，特別是在封裝尺寸和材料選擇上。Gardner透露，英特爾正在研發(fā)120毫米×120毫米的超大封裝尺寸，并計劃在未來一到兩年內(nèi)實現(xiàn)量產(chǎn)。這一技術(shù)的推進將進一步拓展AI加速器的封裝能力，滿足更大規(guī)模計算需求。
此外，英特爾對玻璃基板和玻璃核心技術(shù)的投資也在不斷加大。隨著封裝尺寸的增大，傳統(tǒng)材料的局限性變得愈加明顯，玻璃基板因其出色的性能和擴展性，逐漸成為未來封裝技術(shù)的重要組成部分。Gardner認為，玻璃基板將在未來幾年成為主流，將推動封裝技術(shù)的持續(xù)擴展和創(chuàng)新。
結(jié)語
隨著AI技術(shù)的不斷進步和應(yīng)用場景的不斷擴展，封裝技術(shù)的創(chuàng)新將成為推動產(chǎn)業(yè)變革的重要動力。英特爾通過EMIB、Foveros等多項先進封裝技術(shù)，不斷突破技術(shù)瓶頸，提供高效、靈活的解決方案，引領(lǐng)著封裝技術(shù)的未來方向。
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