把内存塞进CPU,先进封装有多神奇?

jh 8个月前 (09-08)

当代工巨头们开始布局封装。

还有不到一个月,英特尔全新一代Meteor Lake系列处理器就要上市了。

作为酷睿品牌下极具里程碑意义的一代产品,这代处理器被英特尔官方寄予厚望,不仅采用了全新的命名规则(酷睿 Ultra),同时还用上了目前最先进的封装技术。

就在最近,英特尔正式对外展示了酷睿Ultra 1代处理器的部分技术细节,其中最大的亮点,莫过于处理器中集成的内存了。

在Foveros封装技术下,这款CPU成品集成了16GB的三星LPDDR5X-7500内存,可提供120GB/s的峰值带宽,甚至比目前顶尖的DDR5-5200与LPDDR5-6400还快。

塞进更多晶体管,全靠3D封装

把内存塞进CPU,这不是英特尔第一次尝试。在代号Sapphire Rapids-HBM的 Xeon Max处理器上,英特尔就集成了64GB的HBM2e内存。

这是一款面向高性能计算(HPC)和人工智能(AI)的高性能芯片,拥有56个基于Golden Cove架构的性能内核,在EMIB(Embedded Multi-die Interconnect Bridge,嵌入式多芯片互连桥接)封装技术的帮助下,这些性能内核一共构成了四个集群。

据英特尔称,Xeon Max配备的HBM内存足以满足最常见的HPC工作负载,并且与竞争对手的同类产品对比中,性能高出4.8倍。

简单来说,在CPU内部的低延迟上集成高速的HBM内存,本身就比DDR4、DDR5等内存快上不少,在服务器产品上优势会更大。而最重要的是,集成了HBM内存的CPU,在价格上也更加优惠。

不过作为一项2.5D封装技术,EMIB技术虽然在散热、成本等方面具有优势,更适合高存力、高算力的芯片。对于制程工艺不断升级的消费级处理器来说,2.5D封装技术并不太适合。

因此除了EMIB封装技术外,英特尔还推出了3D封装技术Foveros,该技术通过使用硅通孔(TSV),在有源转接板上集成不同类型的器件,搭配上更加灵活,同时提高了核心能力。

在2019年,英特尔首次在处理器平台Lakefield上尝试了Foveros封装技术,在指甲盖大小的芯片内塞进了1颗大核(Sunny Cove架构)和4颗小核(Tremont架构)共计5个核心,以及LPDDR4内存、L2和L3缓存和Gen11 GPU单元,组成了类似手机处理器的SoC系统。

从这里就可以出来,在3D封装技术下,整个处理器在嵌入更多模块的前提下,实现了大幅瘦身。

对于长期以来被吐槽“挤牙膏”的酷睿芯片来说,仅凭制程工艺的提升,显然跟不上消费者的需求,因此将先进封装技术用在新一代芯片上非常好理解。

不过从目前网上透露的数据来看,酷睿14代桌面处理器仍然只是13代处理器的频率提升版本,因此集成了LPDDR5X内存的Ultra 1代处理器可能并不会这么快就面向消费级市场。

还有多少黑科技

事实上,英特尔并不是第一家将内存封装到CPU上的芯片厂商,在革命性的苹果M1芯片上,就已经首次集成了LPDDR内存。

虽说该内存并不位于处理器本身内,但从结构上来说,它仍然属于同一硅片的一部分,因此苹果也成为了全球第一家在客户端 CPU 中使用封装 LPDDR内存的公司。这背后,同样离不开先进封装技术的功劳。

除了将内存塞进CPU以外,先进封装在今年大火的AI芯片上也是发挥了非常大的作用。

此前,靠着成熟的工艺制程,以及独特的CoWoS(Chip On Wafer On Substrate)封装工艺,台积电一直为英伟达GPU芯片代工。

该工艺原本为移动端处理器开发的制程工艺,能够减少芯片70%的体积。在如今的AI时代,AI芯片对于先进封装的需求更加迫切。

简单来说,随着运算需求的日益复杂,异构计算大行其道,更多不同类型的芯片需要被集成在一起,先进封装通过提升了芯片集成密度和互联速度的做法,大幅提升了相关产品的内存容量和数据传输速率。

因此除了英伟达GPU以外,包括亚马逊AWS、博通思科和赛灵思在内的芯片厂商,都有非常大的CoWoS封装需求。

而在5G、自动驾驶汽车、物联网技术,以及XR等领域,这些新兴的应用半导体同样对先进封装需求十分旺盛。从芯片结构来看,这类芯片需要满足高性能、小尺寸和低功耗等特性,因此需要实现更高密度的集成,并大大减少对面积的浪费,从而实现更小体积、更好散热、更高集成度等目标。相较于传统封装,先进封装尤其是3D封装在功能和性能上具有非常多的优势。

另一方面,随着半导体应用愈发丰富,先进封装技术还需要承担一些辅助手段,为芯片设计公司提供思路,降低了晶圆厂的制造门槛。

写在最后

值得一提的是,不少厂商都在积极布局先进封装技术。除了英特尔主推的EMIB、Foveros技术以及台积电主推的CoWoS技术以外,台积电旗下还有InFo、SoIC等方案;三星也发展I-cube、X-Cube等先进封装技术。

而传统的封装巨头也在积极布局先进封装技术。

可以说,在芯片行业回暖之前,芯片巨头们能度过这个冬天的手段并不多,提前布局先进封装,为需求爆发打好基础,并不是一件坏事。

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